SMART GRID: AS REDES ELÉTRICAS INTELIGENTES DO...
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UNIVERSIDADE SÃO FRANCISCO
Curso de Engenharia Elétrica
TIAGO DE MORAES BARBOSA
SMART GRID: AS REDES ELÉTRICAS INTELIGENTES DO FUTURO
Itatiba
2010
TIAGO DE MORAES BARBOSA - 002200600860
SMART GRID: AS REDES ELÉTRICAS INTELIGENTES DO FUTURO
Monografia apresentada ao Curso de
Engenharia Elétrica da Universidade São
Francisco, para obtenção do título de Bacharel
em Engenharia Elétrica.
Orientador: Prof. D.r Geraldo Peres Caixeta
Itatiba
2010
AGRADECIMENTOS
Gostaria de agradecer primeiramente a Deus por me dar forças para sempre seguir em
frente e jamais desistir perante aos empecilhos que surgiram no decorrer desse trabalho,
durante todo o curso e também a cada dia de minha vida, pois sem minha fé, jamais teria
conseguido chegar até aqui.
Aos meus pais, sem os quais eu não estaria aqui, pela educação que me foi passada e
pela paciência e compreensão que tiveram no decorrer no trabalho de conclusão de curso.
Aos meus amigos e professores do SENAI, pois foi através da influência do curso de
Aprendizagem Industrial de Eletricista de Manutenção que decidi seguir o caminho da
Engenharia Elétrica, portanto esse foi o primeiro passo e todos que participaram desse
momento foram essenciais.
A todos meus amigos de sala, principalmente ao Tiago Pereira Barbosa, o qual
considero praticamente como um irmão, ao Edson de Jesus Lopes, um grande parceiro na
elaboração de vários relatórios e resolução de exercícios, ao João Carlos Cecato, sempre nos
ajudando com seus conhecimentos práticos, ao Lauri Filipe de Farias, um grande amigo que
apesar de muitas vezes ter se arriscado em provas, sempre se esforçou e se recuperou e
também a Carolina Delanina Françoso que faz parte desse grupo e teve grande participação
em nossa formação. Esse grupo foi essencial não só para os estudos, mas também para os
vários momentos de descontração, sem os quais, teria sido muito mais difícil conseguir chegar
aqui.
Ao meu orientador Geraldo Peres Caixeta, pelo qual possuo grande admiração por seu
vasto conhecimento na área de engenharia elétrica e por sua excelência como profissional da
área acadêmica.
Aos meus companheiros de trabalho, principalmente ao Fábio Cassucci Gaino e ao
Edro Wolter.
Enfim a todos que de alguma forma me motivaram em diversos momentos ou
ajudaram diretamente ou indiretamente nesse trabalho de conclusão de curso.
RESUMO
Com o constante aumento da demanda por energia elétrica e da escassez dos principais
recursos utilizados na geração desta se faz necessário a realização de uma mudança do
sistema elétrico, o qual possui uma configuração antiga e muito vulnerável a falhas. Essa
mudança poderia se tornar realidade através da implantação do Smart Grid, que transformaria
todas as redes elétricas e tudo que está conectado a elas em um sistema inteligente, no qual
haveria comunicação bidirecional para se realizar trocas de informações entre as diferentes
partes que irão compor esse sistema, visando garantir que todos os consumidores continuem
tendo acesso à energia com segurança e com qualidade cada vez maior, devido ao aumento da
confiabilidade e da eficiência do processo de distribuição de energia. Através dessa
implantação também se pretende reduzir a emissão de gases prejudiciais ao meio ambiente
para ajudar no combate ao problema do aquecimento global. Esse trabalho apresenta as
necessidades para a realização da mudança do sistema de energia elétrico atual, as
oportunidades que surgirão com essa mudança e também apresenta informações importantes
relacionadas ao Smart Grid, a enorme importância de se realizar estudos cautelosos para se
definir padrões e normas que garantam a interoperabilidade do sistema e permitam realizar as
várias interfaces que serão necessárias para que essa transformação ocorra.
Palavras-chaves: smart grid. energia elétrica. sistema elétrico. redes inteligentes.
interoperabilidade.
ABSTRACT
With the constant increase of demand by the electric energy and the scarcity of the
principals resources used in this generation it does necessary the realization of an electric
system change, which one possess an old configuration and so vulnerable to flaws. This
change could become reality through the implantation of Smart Grid that would transform
every electric grids and everything that is connected to them on an intelligent system, which
one has a bidirectional communication to realize changes of information between the different
parts that will compose this system, aiming to guarantee that every consumers continue
having access to energy with security and with quality bigger and bigger, due the increase of
reliability and efficiency of the process energy distribution. Through this implantation also
intends to reduce the gas emission harmful to the environment to help on the combat the
problem of global harming. This work presents the necessities to the realization of the change
on electric energy system actual, the opportunities that will appear with this change and also
presents important information related with Smart Grid, the huge importance to realize
cautious studies to define patterns and norms that guarantee an interoperability of the system
and allow many interfaces that will be necessaries for this transformation happens.
Key-words: Smart Grid, electric energy, electric system, intelligent grids, interoperability.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
FIGURA 1 – Esquema do Sistema de Energia Atual...............................................................17
FIGURA 2 – Gráfico do Consumo Total de Eletricidade.........................................................19
FIGURA 3 – Gráfico do Consumo per capita...........................................................................20
FIGURA 4 – Gráfico das Perdas na Distribuição de Energia Elétrica.....................................21
FIGURA 5 – Gráfico da Distribuição da Capacidade Termelétrica – Maio/2008....................26
FIGURA 6 – Gráfico da Distribuição da Capacidade Termelétrica – Dez/2017......................26
FIGURA 7 – Gráfico da Evolução da capacidade instalada termelétrica do SIN....................27
FIGURA 8 – Gráfico das Emissões (Máximas) de CO2 equivalente (Megaton) por
Subsistema................................................................................................................................27
FIGURA 9 – Gráfico das Emissões de Gases do Efeito Estufa, por combustível utilizado.....28
FIGURA 10 – Gráfico da Emissão anual de GEE da geração de eletricidade em diversos
países.........................................................................................................................................29
FIGURA 11 – Gráfico da Comparação das emissões de CO2..................................................30
FIGURA 12 – Gráfico do Mercado Fotovoltaico em 2009......................................................34
FIGURA 13 – Fotografia da Central Fotovoltaica de Amareleja.............................................35
FIGURA 14 – Gráfico da Potência Eólica Total Instalada no Mundo (MW)..........................37
FIGURA 15 – Gráfico das Principais Produtores de Energia Eólica do Mundo (%)...............38
FIGURA 16 – Gráfico da Previsão Anual do Mercado Eólico por Região entre 2009-2014...40
FIGURA 17 – Gráfico da Previsão Acumulada do Mercado Eólico por Região entre 2009-
2014...........................................................................................................................................40
FIGURA 18 – Fotografia do Parque Eólico Offshore de Thanet..............................................41
FIGURA 19 – Gráfico da Estrutura da Oferta Segundo a Natureza da Fonte Primária de
Geração – Brasil 2008...............................................................................................................44
FIGURA 20 – Gráfico - Brasil: Vendas anuais de automóveis (milhões de unidades)............47
FIGURA 21 – Esquema da Configuração Típica – PLC..........................................................51
FIGURA 22 – Fotografia do Master PLC e ponto de injeção do sinal.....................................52
FIGURA 23 – Fotografia dos Tipos de Modens PLC..............................................................52
FIGURA 24 – Fotografia da Utilização do repetidor no medidor de energia do consumidor..53
FIGURA 25 – Gráfico das Curvas de Duração de Carga.........................................................56
FIGURA 26 – Exemplo de como a GD pode minimizar problemas de interrupções no
fornecimento de energia............................................................................................................57
FIGURA 27 – As oito camadas para determinar os requisitos de interoperabilidade de Smart
Grid e definir a troca de informações na rede...........................................................................63
FIGURA 28 – Interação de agentes em diferentes domínios de Smart Grid através de Fluxos
de Comunicação Segura e Fluxos Elétricos..............................................................................67
FIGURA 29 – Diagrama detalhado de um modelo de Smart Grid...........................................68
FIGURA 30 – Redes para troca de informação........................................................................70
FIGURA 31 – Exemplo de um Sistema de Informação Georreferenciado...............................73
LISTA DE TABELAS
TABELA 1 - Consumo no Brasil em Mega Watts...................................................................22
TABELA 2 – Brasil - Consumo de Energia Elétrica na Rede, por Classe (GWh).................. 23
TABELA 3 - Sistema Interligado Nacional (SIN) e Subsistemas. Índice de Perdas (%).........23
TABELA 4 – Estimativa do Potencial Eólico Mundial............................................................37
TABELA 5 – Potencial Eólico Instalado no Brasil – Período de 2002-2009...........................39
TABELA 6 – Comparação dos Custos de Rodagem: Carro Elétrico VS. Carro Tradicional...43
TABELA 7 – Comparação de tipos de baterias utilizadas em veículos elétricos.....................45
TABELA 8 – Brasil: Vendas anuais de automóveis (milhões de unidades).............................47
TABELA 9 – Domínios e Agentes no Modelo Conceitual do Smart Grid...............................66
LISTA DE EQUAÇÕES
EQUAÇÃO 1 - Fator de emissão de CO2 por quantidade de combustível c consumido.........24
EQUAÇÃO 2 - Fator de emissão de CO2 por quantidade de energia gerada pela usina j no ano
y (tCO2/MWh)...........................................................................................................................25
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
TCC Trabalho de Conclusão de Curso
USF Universidade São Francisco
PLC Power Line Communication
ONS Operador Nacional do Sistema Elétrico
SIN Sistema Interligado Nacional
EPE Empresa de Pesquisa Energética
MME Ministério de Minas e Energia
PDE Plano Decenal de Expansão de Energia
GEE Gases do Efeito Estufa
FEEC Faculdade de Engenharia Elétrica e Computação
FAPESP Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo
ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica
PROINFA Programa de Incentivo às Fontes Alternativas de Energia Elétrica
INAE Instituto Nacional de Altos Estudos
CPFL Companhia Paulista de Força e Luz
ABVE Associação Brasileira do Veículo Elétrico
IBGE Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística
PNAD Plano Nacional por Amostras de Domicílio
BPL Broadband Power Line
TCP Transmission Control Protocol
UDP User Datagram Protocol
SNMP Simple Network Management Protocol
CEMIG Companhia Energética de Minas Gerais
GD Geração Distribuída
SBPE Sociedade Brasileira de Planejamento Energético
DPCA Distributed Power Coalition of America
AMI Advanced Metering Infrastructure
EISA Energy Independence and Security Act
NIST National Institute of Standards and Technology
GWAC GridWise Architecture Council
WAN Wide Area Networks
FAN Field Area Network
IED Intelligent Electronic Device
PAN Personal Area Networks
LAN Local Area Networks
IP Internet Protocol
IEFT Internet Engineering Task Force
GIS Geographic Information System
DMS Distribution Management System
SCADA Supervisory Control And Data Acquisition
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO........................................................................................................14
2 NECESSIDADES DE MUDANÇA: SITUAÇÃO ATUAL DO
SISTEMA DE ENERGIA........................................................................................16
3 NECESSIDADES DE MUDANÇA: CONSUMO DE
ENERGIA ELÉTRICA E PERDAS EM SUA DISTRIBUIÇÃO..19
4 NECESSIDADES DE MUDANÇA: MEIO AMBIENTE............24
5 OPORTUNIDADES COM A MUDANÇA: ENERGIA
ALTERNATIVA...........................................................................................................31
5.1 Energia Solar..........................................................................................................31
5.2 Energia Eólica........................................................................................................35
6 OPORTUNIDADES COM A MUDANÇA: VEÍCULO
ELÉTRICO.................................................................................................................42
7 OPORTUNIDADES COM A MUDANÇA: PLC (POWER
LINE COMMUNICATION)..............................................................................49
8 OPORTUNIDADES COM A MUDANÇA: GERAÇÃO
DISTRIBUÍDA.........................................................................................................54
9 SMART GRID..........................................................................................................59
9.1 ARQUITETURA...................................................................................................62
9.2 MODELO DE REFERÊNCIA..........................................................................64
9.3 Smart Grid e GIS...................................................................................................72
10 CONSIDERAÇÕES FINAIS.........................................................................73
REFERÊNCIAS...............................................................................................................74
14
1 INTRODUÇÃO
Atualmente o setor de energia, não só no Brasil, mas no mundo inteiro está sofrendo
com a crescente escassez dos principais recursos naturais utilizados em sua geração, além do
fato de que a demanda por energia só tende a aumentar, fazendo com que os atuais ativos não
suportem tais mudanças, gerando altos investimentos. Devido a esses fatores, aliado ao grande
problema do aquecimento global, o qual, praticamente todos os países buscam maneiras de
reduzir, se torna visivelmente necessária a realização de uma grande evolução voltada ao
sistema elétrico, transformando todo o sistema em uma rede mais inteligente, conhecidas
atualmente como “Smart Grid”, as redes do futuro, para que se possa garantir que todos os
clientes continuarão tendo acesso à energia com segurança e qualidade.
Muito provavelmente ocorrerá uma revolução digital nos próximos anos que irá
provocar uma enorme mudança em nossas vidas, principalmente na forma como se consome
energia, e não só isso, também afetará a forma de se distribuir e produzir esta mesma energia.
Desde o surgimento da eletricidade e a descoberta da corrente alternada por Nikola
Tesla, talvez essa seja considerada a maior revolução da história voltada para esse setor, até
mesmo porque desde essa época até os dias atuais, a forma de se distribuir energia continua
sem grandes alterações. Por meio da eletricidade, houve grandes alterações no modo de vida
de toda a população, trazendo um conforto maior, mais comodidade e até mesmo mais
segurança, além de ter sido totalmente necessária para as descobertas, pesquisas e invenções
que foram e continuam sendo desenvolvidas após seu surgimento.
Nos dias de hoje existem várias pesquisas com foco em projetos relacionados à Smart
Grid, porém comparado a enorme necessidade e urgência da transformação do setor de
energia, pode se dizer, que deveria existir um maior incentivo por parte dos setores públicos,
no sentido de tentar atingir um maior número de investidores, todos aqueles que possuem
interesses nessa área (stakeholders).
Através da implantação do Smart Grid, todas as redes do sistema iriam se comunicar
entre si de uma forma inteligente, pois este é o foco das redes Smart Grid, “inteligência”.
Seria realizada uma grande automatização do sistema com medidores de qualidade de energia
e medidores inteligentes no consumidor final, além de sensores inteligentes espalhados por
15
diversos pontos da rede, tudo isso em tempo real, o que faria com que o sistema de cada
cliente se comunicasse diretamente com a concessionária que lhe fornece energia, ou seja,
seria uma rede bidirecional, visando à eficiência, a confiabilidade e a segurança do transporte
de energia, além do fato de que existiriam várias informações trafegando por entre as redes.
Com as redes inteligentes a eficiência energética se tornaria cada vez melhor, assunto bastante
estudado atualmente, com projetos espalhados pelo mundo, porém ainda sem apresentarem
grandes resultados. Paralelo a isso também haveria possibilidades de se integrar fontes de
energia alternativa em qualquer ponto da rede, fazendo com que qualquer pessoa tivesse a
oportunidade de gerar, armazenar e vender energia, o que resultaria em uma considerável
melhoria para o meio ambiente, visando à sustentabilidade, tanto com relação aos recursos
naturais utilizados hoje para a geração de energia elétrica quanto na questão da redução do
aquecimento global e provavelmente haveria um aumento em investimentos em veículos
elétricos, pois estes também poderiam se tornar fontes através de suas baterias que poderiam
armazenar energia em horários de baixa demanda e vendê-la em horários de pico, caso não
estivessem em uso. E ainda aumentariam as chances de se transmitir dados pela rede elétrica,
através da tecnologia PLC (Power Line Communication), que apesar de já existirem algumas
aplicações, ainda estão em fase de desenvolvimento e estudo de viabilidade, buscando levar
Internet a todos, resultando em uma inclusão digital.
Este trabalho abordará uma visão geral voltada para cada parte que envolve Smart
Grid. Ele será dividido em três partes: as necessidades da realização de uma mudança no setor
de energia, mostrando a situação atual da energia no mundo, o constante aumento do consumo
e a relação com o meio ambiente; as oportunidades que podem surgir com essa mudança,
como a utilização de mais fontes de energia alternativa, e o aumento dos veículos elétricos e
por último uma apresentação do que poderão ser as tão desejadas redes inteligentes.
16
2 NECESSIDADES DE MUDANÇA: SITUAÇÃO ATUAL
DO SISTEMA DE ENERGIA
Nos primeiros tópicos serão apresentadas as principais necessidades para a realização
de uma mudança no sistema de energia elétrico, visando demonstrar a importância dessa
transformação e da realização dela o quanto antes para se evitar muitos problemas e
minimizar ao máximo a ocorrência de falhas que podem vir a se tornar cada vez mais
constantes nas redes elétricas, considerando o modelo atual.
Atualmente a demanda por energia só tem crescido devido ao constante aumento do
número de consumidores, tanto residenciais, quanto industriais, porém ainda não houve
alterações na forma como funciona o sistema energia, o que está fazendo com que os
problemas relacionados a este só aumentem.
Como exemplo dos problemas que estão surgindo devido ao escasso sistema de
distribuição de energia pode se citar um dos maiores blecautes já ocorridos no Brasil, no dia
10 de novembro de 2009, o qual desligou 18 estados brasileiros e também o Paraguai.
Conforme as notícias, esse problema teve origem relacionada a fenômenos atmosféricos nas
linhas que ligam Itaipu ao sistema sudeste.
Um caso parecido ocorreu em 2003 nos Estados Unidos, país considerado o maior
consumidor de energia do mundo, quando aproximadamente 55 milhões de consumidores
ficaram as escuras, mesmo com o fato de que seu sistema de energia possuía uma
confiabilidade próxima a 100%.
O sistema de potência atual é um sistema unidirecional, que se inicia na geração, passa
pela transmissão e pela distribuição, até chegar ao consumidor de energia elétrica, portanto,
caso ocorra uma interrupção na transmissão, a distribuição perde o fluxo de energia, fazendo
com que toda a carga conectada a essa rede se desligue.
Esse modelo pode ser considerado antigo, já que desde que Thomas Edson fundou a
Electric Light Company em Nova York, em 1879, não houve uma evolução considerável deste
modelo, logo é plausível, que por mais correta que esteja a previsão do tempo, por melhor que
seja a operação do sistema realizado pelo Operador Nacional do Sistema Elétrico (ONS) no
caso do Brasil e por mais usinas novas que sejam construídas, no caso de uma interrupção em
qualquer ponto do sistema, com esse sistema atual, é inevitável a ocorrência de um blecaute.
17
Abaixo pode se ver uma figura que representa um diagrama básico simplificado da
rede elétrica existente, desconsiderando as fontes de energia alternativa que foram
adicionadas em alguns pontos do sistema recentemente.
Fonte: Retirado do artigo “Rede Inteligente: por que, como, quem, quando, onde?”,
disponível no site www.redeinteligente.com
FIGURA 1 – Esquema do Sistema de Energia Atual
Como pode ser observado na figura 1, o modelo tem início na geração de energia (A),
no caso apresentado, através de uma usina hidroelétrica, porém existem outras formas de se
gerar energia. Após a geração as usinas injetam eletricidade em um determinado sistema. Para
facilitar a transmissão (B), a energia injetada passa por transformadores para elevar sua
tensão, fazendo com que sua corrente diminua, o que reduz a bitola dos condutores utilizados.
Na transmissão o sistema é dividido nas subestações transmissoras, as quais são responsáveis
para enviar a energia para o sistema de distribuição (C). Então as subestações distribuidoras
são encarregadas de levar essa energia até os clientes, que podem ser consumidores
residenciais (F) ou consumidores comerciais e industriais (E). Tanto na transmissão quanto na
18
distribuição, existem vários equipamentos de automação da rede, porém esses equipamentos
utilizados atualmente já não são suficientes para garantir a segurança e a qualidade do sistema
de energia.
19
3 NECESSIDADES DE MUDANÇA: CONSUMO DE
ENERGIA ELÉTRICA E PERDAS EM SUA DISTRIBUIÇÃO
Os dois gráficos a seguir mostram dados relacionados ao consumo de energia elétrica
no mundo atual. O primeiro mostra simplificadamente o consumo aproximado nos pontos,
onde se encontram os principais consumidores do mundo. Já o segundo nos dá uma estimativa
do consumo per capita nesses pontos.
Fonte: Adaptado da apresentação de Cyro Vicente Boccuzi no Fórum Latino
Americano (2009)
FIGURA 2 – Gráfico do Consumo Total de Eletricidade
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
EstadosUnidos
Europa Ásia AméricaLatina
4813
3816
3236
926
CONSUMO TOTAL DE ELETRICIDADE
Consumo (TWh)
20
Fonte: Adaptado da apresentação de Cyro Vicente Boccuzi no Fórum Latino
Americano (2009)
FIGURA 3 – Gráfico do Consumo per capita
Já o gráfico da figura 4, mostrado abaixo, dá uma visão sobre a enorme perda existente
no momento da distribuição de energia elétrica. Mesmo levando em consideração o fato de os
Estados Unidos serem os maiores consumidores de energia, a maior perda ocorre na América
Latina, onde o sistema atual de distribuição é muito precário.
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
EstadosUnidos
Europa Ásia AméricaLatina
12902
5490
1688 1345
CONSUMO PER CAPITA
Consumo (kWh/nhab)
21
Fonte: Adaptado da apresentação de Cyro Vicente Boccuzi no Fórum Latino
Americano (2009)
FIGURA 4 – Gráfico das Perdas na Distribuição de Energia Elétrica
Considerando os últimos gráficos é possível perceber que tanto para o caso de
consumo de energia, quanto para o caso de perdas dessa mesma, os índices estão diretamente
relacionados à economia do país. Para os casos dos países desenvolvidos, o consumo de
eletricidade é muito maior comparado ao consumo de países em desenvolvimento ou aos
considerados países de terceiro mundo, já que devido ao fato de sua economia ser melhor, os
consumidores acabam utilizando uma demanda de energia muito maior para suprir suas
necessidades. No caso das perdas também ocorre uma divergência considerável, porém de
forma contrária ao consumo, portanto quanto maiores forem os indíces de desenvolvimento de
um determinado país, menores são as suas perdas, levando em consideração que seu sistema
de energia possui uma qualidade maior. Com isso pode se dizer que o consumo de energia
elétrica é diretamente proporcional a economia de um país, o contrário das perdas do sitema
elétrico que são inversamente proporcionais.
A tabela 1 indica o consumo médio no Brasil segundo o órgão ONS até abril de 2010.
0%
2%
4%
6%
8%
10%
12%
14%
16%
18%
AméricaLatina
Ásia Europa EstadosUnidos
17%
9%8%
7%
PERDAS NA DISTRIBUIÇÃO
Perdas na Distribuição (%)
22
TABELA 1 - Consumo no Brasil em Megawatts
MWmed Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez
SIN
2010 55.714 58.457 58688 55917 55470 54808 55218 55548 57332
2009 49.983 52.271 53.737 50.911 50.066 49.676 50.832 51.409 53.348 53.725 56.169 54.626
2008 51.307 52.077 52.523 52.374 50.732 51.182 51.373 52.497 52.765 54.101 52.341 49.255
SE/CO
2010 34.339 35.996 36094 34610 34153 33727 34218 34596 35831
2009 30.278 32.076 33.128 31.205 30.923 30.343 31.331 31.799 33.099 33.081 34.914 33.547
2008 31.323 31.753 32.575 31.200 31.413 31.824 31.929 32.870 32.737 33.686 31.891 29.571
S
2010 9.444 10.120 9890 9111 8959 9134 9216 9152 9328
2009 8.570 9.130 9.253 8.649 8.363 8.472 8.565 8.491 8.633 8.817 9.331 9131
2008 8.908 9.132 8.893 8.688 8.234 8.539 8.613 8.498 8.524 8.699 8.735 8.481
NE
2010 8.168 8.482 8743 8305 8425 8116 7972 7907 8205
2009 7.521 7.527 7.732 7.457 7.197 7.194 7.330 7.497 7.948 8.172 8.230 8.242
2008 7.582 7.624 7.457 7.507 7.415 7.162 7.186 7.416 7.743 7.944 7.997 7.547
N
2010 3.766 3.859 3961 3892 3932 3831 3811 3892 3.968
2009 3.613 3.538 3.624 3.600 3.583 3.667 3.606 3.621 3.667 3.654 3.694 3706
2008 3.494 3.567 3.597 3.641 3.671 3.657 3.646 3.713 3.760 3.771 3.718 3.656
Fonte: Adaptado dos dados do órgão ONS (2010)
Nessa tabela verifica se que ocorreu um aumento no consumo em 2010 comparado aos
anos de 2009 e 2008. Primeiro é mostrado os dados do Sistema Interligado Nacional (SIN) e
depois os dados divididos entre as regiões SE/CO (Sudeste/Centro-Oeste), S (Sul), NE
(Nordeste) e N (Norte). Muito provavelmente esse índice continuará aumentando, tanto no
que diz respeito às residências, quanto no que diz respeito aos setores comerciais e industriais.
Assim como ocorre no mundo, ao se comparar as diferentes regiões do Brasil pode ser
observado através da Tabela 1 - Consumo no Brasil em Mega Watts, que existe uma diferença
de consumo de energia entre as áreas mais desenvolvidas (SE/CO) e as demais (S/ NE / N).
Nas tabelas a seguir é possível observar uma projeção com relação ao consumo e as
perdas de energia até o ano de 2017 realizada pela Empresa de Pesquisa Energética (EPE) e
publicada pelo Ministério de Minas e Energia (MME). Na tabela 2, é realizada a projeção com
relação às principais classes de consumo, já na tabela 3 é realizada a projeção com relação ao
índice de perdas por subsistemas brasileiros e também do SIN.
23
TABELA 2 – Brasil - Consumo de Energia Elétrica na Rede, por Classe (GWh)
Ano Residencial Industrial Comercial
Outras
Classes Total
2008 94.294 181.166 61.128 56.359 392.946
2009 98.883 189.089 64.952 58.720 411.644
2010 104.355 197.448 69.515 61.411 432.730
2011 109.940 205.132 74.332 64.195 435.599
2012 115.718 212.277 79.448 67.111 474.554
2013 121.654 220.528 84.830 70.105 497.117
2014 127.768 229.014 90.496 73.187 520.466
2015 134.081 237.784 96.465 76.362 544.692
2016 140.583 249.198 102.760 79.637 572.178
2017 147.408 259.468 109.407 83.020 599.303
Período Acréscimo (GWh)
2008-2017 57.508 83.908 51.286 28.929 221.630
Período Variação (% ao ano)
2008-2012 5,3 4,0 6,8 4,5 4,8
2012-2017 5,0 4,1 6,6 4,3 4,8
2008-2017 5,1 4,1 6,7 4,4 4,8
Ano Estrutura de Participação (%)
2008 24,0 46,1 15,6 14,3 100,0
2012 24,4 44,7 16,7 14,1 100,0
2017 24,6 43,3 18,3 13,9 100,0
*Não inclui Autoprodução
Fonte: Adaptado do Plano Decenal de Expansão de Energia – 2008 – 2017, EPE, Volume 1
TABELA 3 - Sistema Interligado Nacional (SIN) e Subsistemas. Índice de Perdas (%)
Subsistema 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017
Norte 17,4 17,2 17,1 16,9 19,3 18,8 18,4 17,9 17,4 16,9
Nordeste 18,3 18,1 17,8 17,6 17,4 17,2 17,0 16,8 16,5 16,3
Sudeste/CO 16,6 16,5 16,4 16,2 16,0 15,8 15,6 15,4 15,2 15,0
Sul 11,7 11,6 11,6 11,6 11,6 11,5 11,5 11,5 11,5 11,4
SIN 16,1 16,0 15,9 15,7 15,8 15,6 15,4 15,2 15,0 14,8
*Notas: Não inclui autoprodução
*Inclui as interligações dos sistemas isolados Acre/Rondônia e Manaus/Macapá/margem
esquerda do Amazonas.
Fonte: Adaptado do Plano Decenal de Expansão de Energia – 2008 – 2017, EPE, Volume 1
24
4 NECESSIDADES DE MUDANÇA: MEIO AMBIENTE
Como foi possível verificar no tópico anterior “Consumo de Energia Elétrica”, a
demanda por energia só está aumentando, pois com o passar dos dias a dependência da
energia elétrica para se realizar inúmeras atividades e também para o modo de vida da
sociedade atual está em contínuo crescimento, o que faz com que seja necessário o aumento
de sua geração, para que seja ofertada uma maior quantidade de energia. Porém, o processo de
geração de energia acarreta impactos no meio ambiente, o que, mesmo muitos não percebendo
(muitas vezes, mesmo percebendo, não associam a tal fato), acaba provocando o surgimento
de alterações no bem estar e nos custos relacionados à sociedade. Devido a isso, torna-se
necessário o desenvolvimento de políticas visando atender a essa crescente demanda
energética, porém sem deixar de lado a grande preocupação com relação à conservação do
meio ambiente, de forma a se utilizar da melhor maneira os recursos ambientais, utilizando
sempre que possível, fontes de energia alternativa, as quais, precisam ser continuamente
estudadas para se tornarem cada vez mais viável em suas aplicações. Paralelo a isso também
através dessas políticas será possível abranger um desenvolvimento social e um
desenvolvimento econômico, ambos diretamente relacionados com a situação da energia em
um determinado país.
Um dos grandes problemas encontrados na atualidade é a questão do aquecimento
global, problema no qual as usinas termelétricas possuem grande influência, pois elas são
responsáveis por uma quantidade considerável de emissão CO2. A emissão do CO2 ocorre
devido à queima do combustível para a geração de energia e varia de acordo com o
combustível utilizado.
As equações 1 e 2 apresentam uma maneira de calcular a quantidade de CO2 emitida
por uma usina termelétrica anualmente [Cálculo dos fatores de emissão de CO2 pela geração
de energia elétrica no Sistema Interligado Nacional do Brasil].
(1)
25
(2)
onde:
- FCc : Fator de emissão de CO2 por quantidade de combustível c consumido
(tCO2/Uc)
- CEc : Conteúdo de energia por unidade de combustível c (TJ/Uc)
- FEc : Fator de emissão de carbono por quantidade de energia do combustível c
(tC/TJ)
- OXc : Fator de oxidação do combustível c (adimensional)
- FTjy : Fator de emissão de CO2 por quantidade de energia gerada pela usina j no ano
y (tCO2/MWh)
- CCcjy : Consumo de combustível c pela usina j no ano y (Uc)
- Gjy : Geração de energia elétrica pela usina j no ano y (MWh)
* t – tonelada; c – variável que representa o combustível; j – variável que representa a usina;
y – variável que representa o ano
De acordo com o PDE – 2008 – 2017, Volume 1, até o final de 2007 existiam no SIN,
desconsiderando os sistemas isolados, 57 usinas termelétricas, sendo que dessas 57, 19
utilizam como combustível, o gás natural, 17 utilizam o óleo diesel, 9 utilizam o carvão, 9
utilizam o óleo combustível, 2 utilizam o urânio e 1 utiliza o vapor. A potência total gerada
por essas usinas termelétricas é igual a 13.293 MW. Existem muitas novas usinas
termelétricas previstas para os próximos anos, pois, esta é considerada uma forma eficiente e
barata de se gerar energia comparada com as demais, porém mesmo com vários estudos para
tornar essa forma de geração “mais limpa”, a poluição gerada através da emissão do CO2
causada pelas termelétricas, continua sendo significativa, o que faz com que esse processo
seja incluído na lista das causas do aquecimento global.
Nos gráficos das figuras 5 e 6, é apresentada a participação da capacidade instalada
termelétrica por subsistema no Brasil. No gráfico da figura 5, a distribuição da potência de
termelétricas instalada em Megawatts até maio de 2008 e no gráfico da figura 6, uma
26
estimativa da mesma distribuição para dezembro do ano de 2017. Verifica-se que em ambos
os casos, a capacidade relacionada às regiões Sudeste e Centro Oeste é a maior,
provavelmente pelo fato de que os pólos econômicos do país se localizam nessas regiões,
porém é na região Nordeste que está prevista o maior crescimento com relação à capacidade
de termelétricas instaladas.
Fonte: Adaptado do Plano Decenal de Expansão de Energia – 2008 – 2017, EPE, Volume 1.
FIGURA 5 – Gráfico da Distribuição da Capacidade Termelétrica – Maio/2008
Fonte: Adaptado do Plano Decenal de Expansão de Energia – 2008 – 2017, EPE, Volume 1.
FIGURA 6 – Gráfico da Distribuição da Capacidade Termelétrica – Dez/2017
2790
2228
2057
8467
Distribuição da Potência Instalada (MW) Térmica - Maio/2008
SUL -18%
NORDESTE - 14%
NORTE - 13%
SUDESTE/CO - 55%
4360
10817
2737
13638
Distribuição da Potência Instalada (MW) Térmica - Dez/2017
SUL -14%
NORDESTE - 34%
NORTE - 9%
SUDESTE/CO - 43%
27
Já no gráfico da figura 7, observa se a evolução da capacidade termelétricas instaladas
no SIN no período de 2008 a 2017, considerando os mesmos estudos utilizados nos gráficos
das figuras 5 e 6. De acordo com os dados apresentados a capacidade termelétrica passaria de
15543 MW (2008) para 31553 MW (2017), o que representaria um aumento percentual de
aproximadamente 103 %.
Fonte: Retirado do Plano Decenal de Expansão de Energia – 2008 – 2017, EPE, Volume 1.
FIGURA 7 – Gráfico da Evolução da capacidade instalada termelétrica do SIN
Utilizando a configuração de referência do PDE 2008-2017, Volume 1, a estimativa da
emissão de gases de efeitos estufa para o ano de 2017, causadas devido as usinas
termelétricas, chegaria a 39,3 Megaton (equivalente a 1 000 000 de toneladas) de CO2
equivalente, o que resultaria em um aumento de mais de 170% com relação ao ano de 2008.
Pode se observar no gráfico da figura 8, levando em consideração essa estimativa, que todos
os subsistemas do Brasil teriam um aumento significativo de emissões de gases de efeito
estufa, com destaque para o Norte e Nordeste.
28
Fonte: Retirado do Plano Decenal de Expansão de Energia – 2008 – 2017, EPE, Volume 1.
FIGURA 8 – Gráfico das Emissões (Máximas) de CO2 equivalente (Megaton) por Subsistema
Ainda de acordo com o PDE – 2008 – 2017, Volume 1, levando em consideração a
postergação de usinas hidrelétricas e analisando uma possível alternativa, o aumento das
emissões de gases de efeito estufa provenientes das termelétricas seria ainda maior, como
mostrado no gráfico da figura 9, no qual observa-se que o carvão mineral seria o maior
causador desse problema, chegando a atingir o volume de 49 Megaton. CO2 equivalente em
2017. Para essa alternativa as emissões de gases do efeito estufa, poderiam atingir, no ano de
2017, 75 Megaton CO2 equivalente.
Fonte: Retirado do Plano Decenal de Expansão de Energia – 2008 – 2017, EPE, Volume 1.
FIGURA 9 – Gráfico das Emissões de Gases do Efeito Estufa, por combustível utilizado
29
Mesmo com esse grande aumento da emissão de gases do efeito estufa através da
geração de energia elétrica, o Brasil, ainda estaria com um patamar bem abaixo comparado a
outros países, pois a matriz energética no Brasil não tem como fonte principal as termelétricas
e a maior parte da emissão desses gases ocorre devido a outras causas, como por exemplo, a
enorme quantidade de queimadas que ocorrem no país, mas embora no Brasil já existam ações
visando a redução da poluição causada pela geração de energia esse patamar pode se tornar
ainda melhor. Considerando a configuração de referência do PDE 2008-2017, obtém se o
gráfico da figura 10, que representa a emissão de gases do efeito estufa em alguns países.
Fonte: Adaptado do Plano Decenal de Expansão de Energia – 2008 – 2017, EPE, Volume 1.
FIGURA 10 – Gráfico da Emissão anual de GEE da geração de eletricidade em diversos países
No gráfico da figura 11, observa se o comparativo entre as emissões de CO2 per capita
de alguns países, no qual, considerando os países analisados, o Brasil possui o menor índice.
0
500
1000
1500
2000
2500
3000 28152615
1548
620 541 424263
34 14 39
EMISSÃO ANUAL DE GEE DA GERAÇÃO DE ELETRICIDADE EM DIVERSOS PAÍSES
Mt. CO2
30
Fonte: Adaptado do Plano Decenal de Expansão de Energia – 2008 – 2017, EPE, Volume 1.
FIGURA 11 – Gráfico da Comparação das emissões de CO2
Uma forma de se melhorar os índices relacionados as emissões de gases de efeito
estufa a partir da geração de energia elétrica, seria o aumento de investimentos em fontes de
energia alternativa e também em redes inteligentes, o que iria favorecer a utilização dessas
fontes e pelo fato de gerenciar toda a rede, não haveria a necessidade da geração de energia
pensando sempre na carga máxima do sistema, pois a geração poderia funcionar de acordo
com a necessidade da demanda.
0,001,002,003,004,005,006,007,008,009,00
10,00 9,30
5,50
4,203,30 3,00
2,000,90 0,50 0,08 0,19
COMPARAÇÃO DAS EMISSÕES DE CO2 PER CAPITA ENTRE DIVERSOS PAÍSES
t. CO2 / hab.
31
5 OPORTUNIDADES COM A MUDANÇA: ENERGIA
ALTERNATIVA
Nos tópicos seguintes serão apresentadas as principais oportunidades que poderão
surgir com a implantação do Smart Grid, as quais poderão vir a se tornar cada vez melhores e
mais viáveis, caso haja a integração com esse sistema.
As fontes de energia alternativa são consideradas fontes de energia limpa, não
poluente, uma forma de se gerar energia elétrica de forma eficiente através de recursos
naturais, que a princípio são inesgotáveis, pois são renováveis e em certos casos podem ser
encontrados com facilidade na natureza. Com a aplicação das redes inteligentes, a conexão de
fontes de energia alternativa na rede elétrica se tornaria mais fácil, pelo fato de que se poderia
inserir uma fonte em qualquer ponto da rede, o que provavelmente acarretaria no aumento de
investimentos nesses tipos de fontes, além do que muitos consumidores poderiam desenvolver
suas próprias fontes de energia alternativa.
Existem várias maneiras de se obter energia elétrica através de fontes alternativas,
entre elas, a energia obtida através do calor do Sol e da força dos ventos, que são as duas
maneiras que terão uma descrição nesse trabalho. Uma grande vantagem desses tipos de
fontes de energia é o fato de não gerarem emissões de gases de efeito estufa e nem outros
tipos de emissões, o que é considerado um grave problema encontrado na geração de energia
elétrica através das usinas termoelétricas, como foi demonstrado anteriormente.
Porém para se desenvolver um sistema de energia renováveis, se requer vários estudos,
para os casos da energia solar e eólica, por exemplo, deve se atentar para a situação climática
do local onde se aplicará o sistema, visando sua viabilidade, caso contrário, pode não se obter
o rendimento esperado.
5.1 Energia Solar
Pode se dizer que várias outras fontes de energia, como por exemplo, a energia das
marés e a eólica dependem da energia solar para existir. A energia solar é a energia obtida por
meio da energia térmica e luminosa do Sol.
32
Para se converter essa energia em energia elétrica, são utilizadas células fotovoltaicas.
A conversão é realizada por meio do efeito fotovoltaico, no qual, ocorre a incidência da luz do
Sol sobre painéis compostos por células de algum material semicondutor. Assim como outras
fontes renováveis, a energia solar necessita de algum tipo de conversor eletrônico de potência
para poder fazer o aproveitamento ideal da energia elétrica gerada. A energia gerada pelos
painéis fotovoltaicos possui tensão e corrente contínuas e devido a isso necessitam de um
conversor para transformá-las em alternadas, tornando-as adequadas para uso na rede elétrica.
Além dessa conversão, existem outras aplicações para a energia solar, entre elas, um
exemplo bastante conhecido, são os aquecedores solares usados para aquecimento da água,
aplicados geralmente em residências e também em alguns estabelecimentos comerciais.
A geração de energia elétrica pela energia solar apresenta uma enorme vantagem, pois
é possível se gerar a energia no mesmo local que se encontra o consumidor, desde que seja
estudada a arquitetura do sistema para se realizar a integração. Isso faria com que as perdas
decorrentes do transporte de energia (transmissão e distribuição) fossem reduzidas e nos
levaria a sistemas de geração distribuída.
Através de um estudo realizado na Faculdade de Engenharia Elétrica e Computação
(FEEC) da Unicamp foi desenvolvido o primeiro conversor eletrônico de potência trifásica
para a conexão de painéis solares à rede elétrica do Brasil. De acordo com o Jornal da
Unicamp, número 453, dos dias 8 a 14 de março de 2010, o grau de eficiência do conversor é
de 85% e o custo do protótipo foi de aproximadamente 15 mil reais, financiado com recursos
da Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP). A pesquisa foi
conduzida pelo doutorando Marcelo Gradella Villalva e orientada pelo professor Ernesto
Ruppert Filho, da FEEC.
“Este conversor substituiu plenamente, durante o período de testes, os três conversores
eletrônicos monofásicos adquiridos da empresa alemã SMA, que estão atualmente ligados a
esses painéis solares”, afirmou o orientador.
Ainda segundo o Jornal, com relação ao protótipo, o orientador do projeto calculou
que em escala de escala de produção o conversor tenha um custo final aproximado de R$ 10
mil. “Existem alguns componentes que poderiam custar muito menos, caso já estivesse em
escala industrial. Se compararmos o custo final de R$ 10 mil com o custo do conversor
33
importado, isso significa uma redução de um terço. É realmente muito vantajoso nacionalizar
essa tecnologia”, assegurou.
Na atualidade, apesar da eficiência no aproveitamento da energia solar ainda ser
bastante reduzida e o investimento ser considerado alto, a capacidade dos parques solares
aumenta a cada dia e essa é a forma de geração de eletricidade que mais cresce no mundo.
Segundo estudos realizados pelo Instituto de Energia da Universidade da Califórnia e pela
Associação das Indústrias Fotovoltaicas Européias, desde 2003, o índice de expansão da
indústria voltada para esse ramo ultrapassa 50% ao ano, mas mesmo assim no Brasil ainda há
poucas políticas de incentivo voltadas para esse tipo de energia. Um dos prováveis motivos é
a existente abundância em energia hidráulica, embora segundo o ONS já exista uma
preocupação voltada à redução da capacidade de reservação das hidrelétricas do país, além do
que essa geração de energia, de certa forma ainda acaba afetando o meio ambiente. Outro
fator que acaba interferindo no investimento em energia solar no Brasil é a produção do
silício, pois esse elemento é produzido em nosso país de forma impura e exportado a US$ 2 o
quilo, enquanto que sua forma mais pura é importada a US$ 60 o quilo, e o silício de alta
pureza é um dos principais elementos no desenvolvimento das mais importantes células
fotovoltaicas do mercado atual. Na Alemanha, país considerado líder dessa tecnologia, já há
uma capacidade de 6500 MW de geração fotovoltaica, o que representa metade da energia
produzia pela usina de Itaipu, enquanto que no Brasil se tem aproximadamente apenas 20
MW instalados em sistemas isolados. Mesmo levando em consideração que o Brasil possui
níveis de irradiação solar superiores ao da Alemanha, a energia elétrica obtida através energia
solar é muito pequena considerando a matriz energética de nosso país. No gráfico da figura 12
é mostrado o Mercado fotovoltaico em 2009.
34
Fonte: Adaptado do Relatório Solarbuzz 2010
FIGURA 12 – Gráfico do Mercado Fotovoltaico em 2009
De acordo com o relatório Solarbuzz 2010, que se trata de um relatório de pesquisa
voltado para a evolução do mercado global de energia solar, no ano de 2009, as usinas
fotovoltaicas existentes em todas as partes do mundo obtiveram um recorde de 6,43 gigawatt
(GW), o que representa um crescimento de 6% em relação ao ano de 2008. A indústria
fotovoltaica gerou US$ 38 bilhões em receitas e levantou mais de US$ 13,5 bilhões em
aportes de capital, por investimento ou por empréstimos.
Ainda de acordo com os dados do Solarbuzz, o preço por watt gerado a partir da
energia solar, nos Estados Unidos era igual a US$ 4.85 em junho de 2007 e passou para US$
4.08 em setembro de 2010 e na Europa passou de € 4.78 em junho de 2007 para € 4.09 em
setembro de 2010. Apesar de não representar uma enorme diferença, isso mostra que estão
tendo investimentos voltados para esse setor, cuja tendência é crescer ainda mais.
Na fotografia da figura 13, é possível ver algumas fotos da maior central de energia
solar fotovoltaica em funcionamento atualmente, localizada em Portugal, na freguesia de
Amareleja, concelho (município) de Moura. Segundo o portal de Moura, foram investidos
237,6 milhões de euros para se produzir energia “limpa”. A capacidade instalada chega a
46,41 MW de pico e 35 MW de potência de injeção na rede. Em pleno funcionamento, a
central produzirá 93 mil MWh por ano, energia suficiente para abastecer 30 mil famílias
63%10%
8%
8% 11%
Mercado Fotovoltaico em 2009 - Total: 6.43 GW
Alemenha, Itália, República Tcheca
Outros Países da Europa
Estados Unidos
Japão
Resto do Mundo
35
portuguesas, o que evitará uma enorme quantidade de emissão de CO2 comparando com uma
produção equivalente a partir de combustíveis fósseis.
Fonte: Adaptado do Portal de Moura
FIGURA 13 – Fotografia da Central Fotovoltaica de Amareleja
No momento, estão em construção dois parques solares que irão superar a potência
instalada na Central de Amareleja. Em ABU DHABI, nos Emirados Árabes Unidos está
sendo construído um parque que atingirá a capacidade de 100 MW, capaz de abastecer
aproximadamente 62 mil casas, enquanto que no estado do Arizona, nos Estados Unidos, o
parque em construção, quando pronto, terá a capacidade de 280 MW, energia suficiente para
abastecer aproximadamente 70 mil famílias.
5.2 Energia Eólica
A energia eólica representa a energia obtida pela ação do vento, ou seja, através da
energia cinética contida nas massas de ar em movimento, sendo uma fonte de energia
renovável de grande potencial, além de ser limpa e estar disponível em praticamente todos os
lugares, porém varia de acordo com a região onde está sendo aplicada. A energia elétrica é
gerada pela energia eólica através do emprego de turbinas eólicas.
Como foi citado no tópico anterior, a energia eólica é uma das energias que dependem
do Sol para sua existência, pois o Sol, aquece a superfície da Terra de uma forma não
36
homogênea, fazendo com que sejam gerados alguns locais de alta pressão e outros locais de
baixa pressão, o que por conseqüência faz com que o ar se mova gerando os ventos.
Assim como no caso da geração de energia elétrica através da energia solar, a geração
através da energia eólica, também não produz gases de efeito estufa e nem outros tipos de
emissões, além de também depender de um recurso que a princípio pode ser considerado
infinito, porém para se aplicar em alguma região são necessários vários estudos antes, para se
comprovar a viabilidade do projeto evitando determinados problemas, como por exemplo, a
falta, ou existência de pouco vento, na região onde se aplicou/aplicará o projeto. “Para que a
energia eólica seja considerada tecnicamente aproveitável, é necessário que sua densidade
seja maior ou igual a 500 W/m², a uma altura de 50 m, o que requer uma velocidade mínima
do vento de 7 a 8 m/s” [GRUBB; MEYER, 1993].
A primeira turbina eólica comercial ligada à rede elétrica pública foi instalada em
1976, na Dinamarca, mas atualmente já existem mais de 30 mil turbinas eólicas em
funcionamento espalhadas pelo mundo. Há anos que muitos países vêm estabelecendo metas
voltada para a energia eólica, das quais muitas já foram alcançadas, surgindo novas metas. De
acordo com a segunda edição do Atlas da Energia Elétrica no Brasil, elaborado pela Agência
Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), é estimado que em 2020 o mundo tenha 12% da
energia gerada pelo vento, com uma capacidade instalada de mais de 1200 GW, porém é
estimado que o potencial eólico bruto mundial seja aproximadamente 500 mil TWh por ano,
dos quais devido a restrições socioambientais, cerca de 53 mil TWh são considerados
tecnicamente aproveitáveis, o que representa algo na ordem de quatro vezes o consumo
mundial de eletricidade.
As tecnologias utilizadas na geração de energia elétrica através da energia eólica estão
evoluindo cada vez mais, tornando os equipamentos mais eficientes e confiáveis, além de
terem seu custo reduzido.
Na tabela 4, é apresentada a estimativa do potencial eólico no mundo, na qual pode se
observar que o maior potencial anual, se encontra na América do Norte, o que de certa forma
poderia ser uma das justificativas para que atualmente os EUA sejam líder mundial nessa
forma de geração de energia e continuem investindo bastante nesse mercado.
37
TABELA 4 – Estimativa do Potencial Eólico Mundial
Região
Porcentagem
de Terra
Ocupada*
Potencial
Bruto
(TWh/ano)
Densidade
Demográfica
(hab/km²)
Potencial
Líquido
(TWh/ano)
África 24 106.000 20 10.600
Austrália 17 30.000 2 3.000
América do Norte 35 139.000 15 14.000
América Latina 18 54.000 15 5.400
Europa Ocidental 42 31.400 102 4.800
Europa Oriental & ex-URSS 29 106.000 13 10.600
Ásia (excluindo ex-URSS) 9 32.000 100 4.900
Total do Globo** 23 498.400 - 53.000
* Em relação ao potencial bruto;
** Excluindo-se Groenlândia, Antártida, a maioria das ilhas e os recursos offshore
Fonte: Adaptado da segunda edição do Atlas da Energia Elétrica no Brasil
O mundo ainda utiliza pouco desse potencial eólico total que possui, embora a
capacidade utilizada esteja aumentando a cada ano. No gráfico da figura 14 verifica-se que a
previsão para o ano de 2010 é de mais de 200 mil MW, o que representa aproximadamente
3% do consumo de energia mundial atual.
Fonte: Adaptado do World Wind Energy Report 2009
FIGURA 14 – Gráfico da Potência Eólica Total Instalada no Mundo (MW)
38
Como já comentado anteriormente, os Estados Unidos é o país com maior potencial
eólico instalado na atualidade, porém alguns países da Europa, como por exemplo Alemanha
(que já chegou a dominar esse mercado) e Espanha também possuem uma grande fatia desse
mercado. A Ásia também vem crescendo, principalmente com a China e com a Índia,
principais produtores desse continente. A América Latina ainda não apresenta nenhum
produtor em destaque, porém mesmo assim também vem investindo nesse setor. No caso da
África, como foi apresentado na tabela 4, existe um potencial enorme para ser desenvolvido,
porém os países pertencentes ao continente africano não tem condições de investir nessa
tecnologia, o que faz com que todo esse potencial seja praticamente descartado. Abaixo é
possível ver os principais produtores de energia eólica do mundo atualmente.
Fonte: Adaptado do World Wind Energy Report 2009
FIGURA 15 – Gráfico das Principais Produtores de Energia Eólica do Mundo (%)
No Brasil, segundo o Global Wind 2009 Report, um relatório anual que visa mostrar a
situação do mercado eólico no mundo e fazer estimativas para o mesmo, a capacidade eólica
ultrapassa os 350 GW. Esse relatório cita que o Programa de Incentivo às Fontes Alternativas
de Energia Elétrica (PROINFA) estabelecido pelo governo brasileiro, tem como um dos
objetivos, ter 10% de toda energia do país sendo gerada por fontes renováveis. Na fase inicial
do projeto, em 2004, foram realizados leilões compostos de 3.300 MW, divididos entre
22,1%
16,3%
16,2%11,5%
6,8%3,0%
2,8%
2,6%
2,2%
2,2%
14,2%
Principais Produtores de Energia Eólica do Mundo (%)
USA
China
Alemanha
Espanha
Índia
Itália
França
Reino Unido
Portugal
Dinamarca
Resto do Mundo
39
energia eólica, biomassa e hidrelétrica de pequeno e médio porte (1.100 MW para cada
tecnologia). Abaixo é mostrada uma pequena tabela que demonstra como foi o crescimento
eólico do Brasil nos últimos anos.
TABELA 5 – Potencial Eólico Instalado no Brasil – Período de 2002-2009
ANO 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009
MW 22 29 29 29 237 247 341 606
Fonte: Adaptado do Global Wind 2009 Report
Atualmente, estão em construção 154,4 MW e aproximadamente 560 MW
permanecem em desenvolvimento. No ano de 2009, a ANEEL sediou um leilão, onde foram
contratados 71 novos projetos, totalizando 1800 MW, os quais são apresentados a seguir:
• Rio Grande do Norte – 657 MW em 23 parques eólicos
• Ceará – 542 MW em 21 parques eólicos
• Bahia – 390 MW em 18 parques eólicos
• Rio Grande do Sul – 189 MW em 8 parques eólicos
• Sergipe – 30 MW em um parque eólico
O preço obtido no leilão foi abaixo do esperado, R$ 148 por MWh, porém devido ao
grande volume leiloado é possível perceber que o Brasil possui um potencial para se continuar
investindo no mercado eólico.
Já nos gráficos das figuras 16 e 17, são apresentadas, a previsão anual e acumulativa
do mercado eólico por região no período de 2009 à 2014 de acordo com o Global Wind 2009
Report. Observa-se que a Ásia é a região que possivelmente se destacará nesse mercado nos
próximos anos, porém como é mostrado no gráfico da previsão acumulada, atualmente quem
domina o mercado eólico é a Europa.
40
Fonte: Adaptado do Global Wind 2009 Report
FIGURA 16 – Gráfico da Previsão Anual do Mercado Eólico por Região entre 2009-2014
Fonte: Adaptado do Global Wind 2009 Report
FIGURA 17 – Gráfico da Previsão Acumulada do Mercado Eólico por Região entre
2009 - 2014
0,0
5,0
10,0
15,0
20,0
25,0
30,0
2009 2010 2011 2012 2013 2014
Previsão Anual do Mercado Eólico por Região entre 2009 - 2014 (GW)
Europa América do Norte Ásia
América Latina Oceano Pacífico Oriente Médio e África
0,0
50,0
100,0
150,0
2009 2010 2011 2012 2013 2014
Previsão Acumulada do Mercado Eólico por Região entre 2009 - 2014 (GW)
Europa América do Norte Ásia
América Latina Oceano Pacífico Oriente Médio e África
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Abaixo é exibida uma fotografia do maior parque eólico offshore do mundo em
operação no momento. Está localizado no Reino Unido, possui 100 turbinas aerogeradoras
que são capazes de gerar energia suficiente para abastecer 200 mil casas durante um ano.
Fonte: Retirado do Portal Exame
FIGURA 18 – Fotografia do Parque Eólico Offshore de Thanet
Através dos dados apresentados nesse último tópico, percebe-se que apesar de se
existir alguns empecilhos, os investimentos em fontes de energia alternativas podem se tornar
cada vez mais viáveis, pois é um mercado que vem se estendendo bastante e que ainda tem
muito espaço e potencial para crescer mais nos próximos anos e como já foi comentado, com
as redes inteligentes esse crescimento se tornaria ainda maior e provavelmente mais rápido.
42
6 OPORTUNIDADES COM A MUDANÇA: VEÍCULO
ELÉTRICO
Apesar de muitas pessoas imaginarem que o veículo elétrico seja algo recente no
mercado, as pesquisas direcionadas aos veículos com motores elétricos existem há muitos
anos, tanto que por volta de 1837, Robert Davidson Aberdeen desenvolveu um carro movido
por uma bateria rústica de ferro e zinco, o qual era impulsionado por um motor elétrico. Na
década de 1990, na Califórnia, houve uma tentativa de se inserir o veículo elétrico de vez no
mercado automobilístico, chegou até a se obter certa aceitação, porém devido à incessante
busca pelo lucro por parte de empresas petrolíferas e também das empresas automobilísticas
que não enxergavam vantagens na produção do veículo elétrico aliado a falta de incentivos
por parte do governo dos EUA da época, aos problemas relacionados às baterias e as
limitações do momento, não houve sucesso nessa implantação. Esse ocorrido pode ser
acompanhado com maiores detalhes no documentário “Quem matou o carro elétrico” dirigido
por Chris Paine e lançado por uma produtora com o nome de Electric Entertainment.
Mas nos últimos anos esse mercado ganhou força novamente. A frota de veículos no
mundo inteiro vem aumentando a cada dia, consequentemente a poluição gerada por eles
também aumenta. Provavelmente, um dos principais motivos que alavancou essa retomada
dos investimentos voltados para os veículos elétricos esteja relacionado à enorme necessidade
de se reduzir as emissões de gases prejudiciais ao meio ambiente, que são causadores do
efeito estufa, emissões das quais os veículos atuais possuem grande influência, embora que a
tentativa citada acima também tinha esse como um dos objetivos e a idéia não obteve sucesso,
porém atualmente essa necessidade é maior, os interesses e investimentos estão espalhados
por todo mundo e não concentrados apenas em uma região e a divulgação é muito maior,
fazendo com que o interesse por parte dos consumidores também aumente, além do que a
eficiência do veículo vem aumentando cada vez mais com o passar dos anos, mas ainda assim
é preciso se ter certa cautela até que esse projeto se torne uma realidade global.
Os veículos elétricos possuem muitas vantagens quando comparados com os veículos
comuns. A eficiência de alguns carros com motor elétrico ultrapassa os 90%, enquanto que os
carros que utilizam álcool ou gasolina como combustível não ultrapassam os 30% de
eficiência. Outra vantagem é o fato de os custos com manutenção também serem reduzidos
43
quando comparados com os gastos de um veículo comum. Na tabela 6 é demonstrado o
comparativo de alguns dados do carro elétrico com o carro tradicional.
TABELA 6 – Comparação dos Custos de Rodagem: Carro Elétrico VS. Carro Tradicional
Carro Tradicional Carro Elétrico
km/dia 50 km/dia 50
km/mês 1500 km/mês 1500
km/l 11 kWh/km 0,18
Litros 136,36 Energia (kWh) 270
Preço Combustível (R$) 2,50 Custo do kWh (R$) 0,35
Custo Mensal (R$) 340,91 Custo Mensal (R$) 94,50
Custo por km (R$) 0,23 Custo por km (R$) 0,06
Fonte: Adaptado da publicação Estratégia de implantação do carro elétrico no Brasil
Além de tudo isso, as emissões de poluentes e gases do efeito estufa de veículos
elétricos são desprezíveis, pelo menos considerando diretamente (desconsiderando as
emissões decorrentes dos processos da geração da energia que será utilizada para carregar a
bateria, que também deve ser analisada), o que seria muito benéfico para o Brasil, já que em
nosso país os carros e as motos são os grandes responsáveis pela poluição e em nossa matriz
energética, grande parte da geração de energia é constituída por fontes renováveis,
consideradas limpas, como pode se observar no gráfico da figura 19. Segundo a publicação
Estratégia de implantação do carro elétrico no Brasil, do Fórum Nacional Instituto Nacional
de Altos Estudos (INAE), entidade dirigida pelo economista João Paulo dos Reis Velloso, em
2009, os carros e motos foram responsáveis por 83% do total de emissão de CO nas cidades
brasileiras. Também se pode levar em consideração que os veículos elétricos são silenciosos,
o que reduziria a poluição sonora, principalmente nos grandes centros urbanos.
44
Fonte: Adaptado do Balanço Energético Nacional 2009
FIGURA 19 – Gráfico da Estrutura da Oferta Segundo a Natureza da Fonte Primária de
Geração - Brasil 2008
O governo brasileiro vem criando alguns programas de incentivos voltados aos
veículos elétricos. Por exemplo, em sete estados brasileiros (Ceará, Maranhão, Pernambuco,
Piauí, Rio Grande do Norte, Rio Grande do Sul e Sergipe), os veículos movidos a motor
elétrico são isentos de IPVA, em outros três (Mato Grosso do Sul, Rio de Janeiro, São Paulo)
possuem a alíquota do IPVA diferenciada. Infelizmente devido ao momento que vive o
veículo elétrico no cenário mundial, esses incentivos ainda não são suficientes, levando em
consideração que o Brasil é um país com uma matriz energética favorável a implantação do
veículo elétrico, já que possui um grande potencial hidroelétrico, enquanto que países que
possuem uma matriz energética de certa forma desfavorável a esse tipo de veículo, acabam
investindo muito mais. Nos EUA, por exemplo, o governo anunciou em agosto de 2009 a
concessão de US$ 2,4 bilhões em recursos federais para ajudar empresas e universidades na
criação de baterias e veículos híbridos e elétricos, além do fato de que ainda existe um
subsídio de US$ 7.500 para aquisição de veículos elétricos.
Atualmente, o Brasil é o 5º maior consumidor e o 6º maior produtor mundial de
veículos, portanto é preciso começar o quanto antes a investir mais nesse mercado, pois caso
contrário, isso poderá acarretar muitas perdas, gerando no futuro a dependência de muitas
45
exportações para o setor automobilístico, setor considerado importante para a economia do
país atualmente, além do que o setor de autopeças, que faz parte do setor automotivo, exporta
para mais de 20 países, incluindo algumas potências, como Estados Unidos e Alemanha. Por
esse e outros motivos, mesmo considerando que a situação do Brasil é relativamente
confortável devido ao fato de ser líder na produção de veículos que utilizam combustível
renovável e por ter disponibilidade de etanol e biodiesel, é preciso ficar atento a esse mercado,
até porque ele não representa o fim do etanol, pois também existem pesquisas e incentivos
para os veículos elétricos híbridos, onde o etanol poderia ser aplicado, o que ajudaria na
autonomia do veículo, gerando mais uma vantagem e oportunidade para o Brasil. Mas a
grande maioria dos países desenvolvidos possui um foco maior voltado para os veículos
elétricos, por isso não se pode ficar fechado apenas para o desenvolvimento de tecnologias
que utilizam etanol como combustível, pois isso poderia fazer com que o Brasil se tornasse
um dos poucos consumidores dessa tecnologia, atrasando sua evolução.
Um dos maiores problemas e também um grande desafio tecnológico a superar
relacionados ao veículo elétrico é a sua bateria, pois é ela que determina a autonomia do
veículo, além de ter grande influência sob seu preço e seu tempo de recarga. Na tabela 7, é
feito um comparativo das principais baterias utilizadas atualmente.
TABELA 7 – Comparação de tipos de baterias utilizadas em veículos elétricos
Bateria Energia (Wh/kg) Potência (W/kg) Ciclos * Custo (US$/kWh)
Chumbo-ácido 35 - 45 250 400 - 500 160 - 210
NiMH 70 350 1350 - 1550 780 - 930
NiNaCI2 90 - 125 150 - 200 1000 - 3000 300 - 700
íon de lítio 150 - 200 400 1000 - 3500 900 - 1200 * Ciclos se referem ao número total de cargas-recargas que uma bateria rende antes de não poder mais reter
carga.
Fonte: Adaptado dos dados da ABVE, 2010
Grande parte dos carros está sendo desenvolvido utilizando-se bateria à base de íons
de lítio, a qual ainda não é produzida no Brasil, além do que o lítio é um material escasso
hoje, o que provavelmente pode vir a se tornar um enorme problema para se produzir o carro
elétrico em grande escala, pois alguns especialistas questionam a disponibilidade de lítio para
suprir essa nova demanda que será gerada. Outro problema é o fato do processo de mineração
desse material, no qual, as tecnologias utilizadas atualmente para a realização desse trabalho
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são prejudiciais ao meio ambiente, por isso, esse também deve ser um fator a ser levado em
consideração e que deve ser analisado antes de se decidir algo e definir uma solução. Também
é preciso se preocupar com a reciclagem das baterias que serão utilizadas.
No Brasil já existem aplicações voltadas para o carro elétrico. Pode-se citar como um
exemplo recente, o contrato assinado no dia 21 de outubro desse ano entre a Companhia
Paulista de Força e Luz (CPFL) e a Empresa de Correios e Telégrafos, o qual visa à utilização
do veículo elétrico na entrega de Sedex na cidade Campinas (SP). Esse carro possui uma
autonomia entre 90 km e 120 km, o suficiente para utilização urbana diária, embora esse ano
um veículo já atingiu a marca de 1000 km, o que representa o recorde atual de distância
percorrida por um veículo elétrico com uma recarga.
Ainda não se pode considerar que o Brasil está definitivamente pronto para receber o
veículo elétrico. Já se possui alguns postos elétricos, o primeiro começou a funcionar no dia
10 de junho do ano passado dentro de um posto da BR Distribuidora, na Barra da Tijuca, no
Rio de Janeiro, mas mesmo assim a infra-estrutura do país ainda não está preparada, é preciso
começar a desenvolver produtos e tecnologias para esse novo mercado e também realizar
estudos para regulamentações e para a rede de distribuição, que provavelmente sofrerá
algumas alterações. Não somente o governo, mas empresas e grandes centros comerciais
também já devem ficar atentos para isso, pois devem adequar suas instalações para que se
torne possível qualquer pessoa, no caso das empresas, os funcionários, recarregarem seus
veículos enquanto trabalham. Até mesmo os consumidores residenciais podem começar a
pensar em colocar tomadas nas garagens de nossas casas.
Na tabela 8, são apresentadas estimativas de acordo com os dados da Associação
Brasileira do Veículo Elétrico (ABVE) para possíveis vendas de carros elétricos no Brasil, as
quais podem ser encontradas na publicação Estratégia de implantação do carro elétrico no
Brasil. Essa tabela apresenta dados tanto para veículos elétricos (VE), como também para
veículos híbridos puros (VEH) ou com baterias que possam ser carregadas da rede externa
(VEP e VEB). Através dessa tabela obteve-se o gráfico da figura 20.
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TABELA 8 – Brasil: Vendas anuais de automóveis (milhões de unidades)
ANO TOTAL VE VEH VEP/B
2010 2,8 - - -
2015 3,6 0,14 0,1 0,04
2020 4,2 1,03 0,73 0,3
2025 4,9 2,7 1,39 1,31
2030 5,6 4,12 1,65 2,47
Fonte: Adaptado da publicação Estratégia de implantação do carro elétrico no Brasil
Fonte: Adaptado da publicação Estratégia de implantação do carro elétrico no Brasil.
FIGURA 20 – Gráfico - Brasil: Vendas anuais de automóveis (milhões de unidades)
Mesmo considerando a enorme quantidade de investimentos voltados para o mercado
de veículos elétricos, que como já foi citado, não poluem diretamente o meio ambiente, por
não queimarem nenhum tipo de combustível fóssil, deve se considerar o fato de que para uma
frota grande de carros elétricos, seria necessário gerar uma considerável quantidade de energia
a mais para suprir essa enorme demanda.
Diante dessa situação, uma rede de distribuição de energia mais inteligente seria uma
possível solução interessante, a qual pelo menos reduziria muitos problemas relacionados aos
veículos elétricos, pois dessa maneira, se tornaria possível que eles, ou melhor, suas baterias,
0
1
2
3
4
5
6
2010 2015 2020 2025 2030
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Brasil: Vendas Anuais de Automóveis
TOTAL
VE
VEH
VEP/B
48
não tivessem apenas a função de simples “consumidores”, mas também poderia fazer com que
elas se tornassem fornecedores de energia para a rede elétrica, ou também funcionassem como
no-breaks para seus proprietários. Como um carro fica em média mais de 20 horas do dia
estacionados, nos momentos fora do horário de pico, eles poderiam funcionar como
armazenadores de energia e nos momentos de pico, poderiam se tornar fontes conectadas a
um ponto da rede, fornecendo energia para o sistema. Isso ainda poderia contribuir para que
algumas fontes de energia alternativa, como eólica e solar, que dependem de condições do
meio ambiente para gerar energia, pudessem se tornar mais efetivas, funcionando de uma
forma conjunta com as baterias dos veículos elétricos, pois as baterias poderiam ajudar
quando essas não fossem capazes de gerar energia devido às condições climáticas.
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7 OPORTUNIDADES COM A MUDANÇA: PLC (POWER
LINE COMMUNICATION)
Uma tecnologia que evoluiu bastante após a sua descoberta foi à Internet, sendo que
um dos principais pontos foi à forma de distribuir suas informações, a qual atualmente possui
várias formas, entre elas, wireless, 3G, satélites, etc. A tecnologia PLC é mais uma forma de
se distribuir informações, a qual permite transmissões de sinais por onda portadora em redes
de distribuição de energia elétrica.
Atualmente a Internet pode ser utilizada para a realização de várias atividades, como
realizar transações bancárias, ler notícias, trocar e-mails, realizar pesquisas, enfim, de certa
forma estar conectado ao mundo. A cada ano, o número de usuários da Internet aumenta,
porém infelizmente ela ainda não é acessível a todos. Muitos não possuem acesso a Internet
devido ao fato de morarem em regiões que não são servidas pelos serviços de
telecomunicações. Esse índice ainda é grande no Brasil, ou seja, muitos brasileiros ainda
sofrem e são prejudicados com essa situação.
Segundo dados do Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE), referentes ao
Plano Nacional por Amostras de Domicílio (PNAD) de 2009, o índice de pessoas que
acessaram a Internet em 2009 foi de aproximadamente 67,9 milhões de pessoas (pessoas com
10 ou mais anos de idade), embora esse índice esteja crescendo anualmente. Mas
considerando que atualmente o número de habitantes no Brasil é de aproximadamente 190
milhões, o índice representa aproximadamente 35,7% da população brasileira. Já a
porcentagem dos domicílios que dizem ter iluminação elétrica, representava em 2009, 98,9%
do total, uma quantidade bem maior comparada ao de habitantes com acesso a Internet.
O assunto relacionado à transmissão de dados pela rede elétrica surgiu em 1920 com o
desenvolvimento de idéias de sistemas de portadoras para comunicação de voz em redes de
alta tensão. Em 1930 surgiu a técnica RPC (Ripple Control), através da qual foi possível a
utilização da rede de distribuição de energia elétrica para transmissão de alguns sinais, porém
utilizando freqüências baixas (100 a 900 Hz), o que fazia com que a comunicação fosse
realizada a taxas bem baixas e potência elevada para transmissão, além do fato do sistema
possuir comunicação unidirecional, sendo utilizadas apenas para tarefas simples, como o
acionamento da iluminação pública. Somente na década de 1990 foi possível obter sistemas
capazes de fornecer comunicação de forma bidirecional através da rede de distribuição de
50
energia elétrica, os quais utilizavam frequências mais elevadas e menores níveis de potência
transmitida.
Atualmente existem muitas pesquisas voltadas para a tecnologia PLC, a qual através
do fenômeno de propagação de ondas nos condutores elétricos visa transmitir dados
utilizando a mesma estrutura das redes de distribuição de energia elétrica. Essa tecnologia é
capaz de transmitir de forma controlada (frequências e níveis de propagação específicos)
sinais que utilizam as freqüências de forma inteligente e diferenciada daquelas utilizadas por
outros equipamentos e pela própria transmissão de energia elétrica. Também conhecida como
BPL (Broadband Power Line), a tecnologia PLC opera em uma faixa que varia de 1,6 a 30
MHz e alcançam taxas de até 200 Mbps. Para se realizar a definição das freqüências de
operação das portadoras é preciso realizar medições e planejamentos de freqüências de banda
de rádio de ondas curtas e de acordo com as normas. Os elementos da tecnologia PLC são
capazes de assegurar uma boa qualidade tanto para áudio, quanto para vídeo. Esse sistema
permite a distinção entre pacotes TCP (Transmission Control Protocol) e UDP (User
Datagram Protocol) e também apresentam agentes SNMP (Simple Network Management
Protocol), os quais representam um protocolo de gerência típica de redes UDP, da camada de
aplicação e são imprescindíveis para que haja um monitoramento e controle da rede, pois
facilitam o intercâmbio de informação entre os dispositivos da rede.
Mas existem alguns problemas em se transmitir dados pela rede elétrica, levando em
consideração que essa não foi projetada para essa finalidade. Devido ao descasamento de
impedância que ocorre entre pontos da rede e também entre equipamentos, é gerada uma
reflexão do sinal transmitido, que acaba causando uma maior atenuação do sinal original, uma
vez que parte dele será perdido. Essa atenuação sofrida pelo sinal ao longo da linha de
distribuição limita a distância que esses sinais podem atingir. Ela pode variar de acordo com a
topologia, conservação e quantidade de conexões da rede. É interessante ressaltar que os
equipamentos de PLC não podem ser ligados a estabilizadores ou filtros de linhas, pelo fato
desses dispositivos bloquearem sinais em alta freqüência. A qualidade do acesso também
pode variar de acordo com o padrão da instalação elétrica e a temperatura ambiente.
Outro problema a ser considerado é a interferência de outros sistemas que utilizam o
mesmo espectro que a tecnologia PLC, ou até mesmo causada por outros usuários que estejam
utilizando a tecnologia PCL. Nas residências é possível ocorrer interferências por parte de
alguns aparelhos eletrodomésticos. Também é preciso seguir as normas referentes às
51
limitações de freqüência para essa tecnologia para que não se corra o risco de interferências
com transmissões de rádio.
Abaixo, pode se observar um esquema, no qual é demonstrada uma configuração
típica de uma rede utilizando a tecnologia PLC.
Fonte: Retirado da apresentação do Projeto PLC CEMIG
FIGURA 21 – Esquema da Configuração Típica – PLC
De acordo com o esquema pode se verificar que o Master (Figura 22) é conectado a
um cable modem. Esse Master é instalado próximo a um transformador de energia elétrica e o
sinal é injetado nos fios (fases e neutro) da rede elétrica. Em seguida o sinal é coletado e no
medidor de energia do consumidor é regenerado por um repetidor (Figura 23), embora este
seja dispensável para alguns casos. Na residência o sinal recebido pode ser captado em
qualquer tomada conectada a instalação elétrica através da utilização do Modem PLC (Figura
24). A partir desse modem pode ser realizada a conexão com a placa do computador,
disponibilizando o serviço para o usuário.
52
Fonte: Adaptado da apresentação do Projeto PLC CEMIG
FIGURA 22 – Fotografia do Master PLC e ponto de injeção do sinal
Fonte: Adaptado da apresentação do Projeto PLC CEMIG
FIGURA 23 – Fotografia da Utilização do repetidor no medidor de energia do
consumidor
53
Fonte: Retirado do Artigo sobre PLC de Marcus Vinicius de Almeida Ferreira
FIGURA 24 – Fotografia dos Tipos de Modens PLC
A tecnologia PLC é bastante estudada atualmente, porém na grande maioria dos casos,
apenas com projetos piloto, o que demonstra que essa tecnologia ainda precisa superar vários
desafios para que se torne viável a sua utilização comercialmente. Esses desafios estão
relacionados tanto ao aperfeiçoamento dos equipamentos atuais, quanto ao desenvolvimento
de mais normas e também de padronizações.
Através do Smart Grid, esse provavelmente seria mais uma mercado que poderia
aumentar seus investimentos, visto que a tecnologia PLC, poderia vir a ser utilizado em
determinados pontos do sistema inteligente.
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8 OPORTUNIDADES COM A MUDANÇA: GERAÇÃO
DISTRIBUÍDA
Existe mais de uma definição para o conceito da expressão Geração Distribuída (GD),
a qual de forma simplificada pode ser utilizada para representar a geração de energia elétrica
junto ou próxima do consumidor, independente da fonte de energia, da potência e da
tecnologia usada para o projeto, porém “no Brasil, a geração distribuída foi definida de forma
oficial através do Decreto nº5.163 de 30 de julho de 2004” conforme abaixo: [Geração
distribuída no Brasil: oportunidades e barreiras da Sociedade Brasileira de Planejamento
Energético (SBPE)]
“ Art. 14. Para os fins deste Decreto, considera se geração distribuída a produção de energia
elétrica proveniente de empreendimentos de agentes concessionários, permissionários ou
autorizados (...), conectados diretamente no sistema elétrico de distribuição do comprador,
exceto aquela proveniente de empreendimento:
I hidrelétrico com capacidade instalada superior a 30 MW; e
II termelétrico, inclusive de co-geração, com eficiência energética inferior a setenta e cinco
por cento, (...).
Parágrafo único. Os empreendimentos termelétricos que utilizem biomassa ou resíduos de
processo como combustível não estarão limitados ao percentual de eficiência energética
prevista no inciso II do caput."
A geração de energia próxima ao consumidor já foi algo bastante utilizado por
empresas, porém a partir da década de 40, a geração realizada em grandes centrais e
distribuída pelas concessionárias de energia acabou se tornando mais barata, o que fez com
que os investimentos relacionados à geração distribuída praticamente parassem por um longo
tempo, até que por volta dos anos 80, o desenvolvimento de tecnologias para essa área voltou
a ser incentivado, obtendo como resultados reduções de custos consideráveis. Em alguns
países como Holanda e Finlândia, este tipo de produção ultrapassa 40% de toda geração
nacional.
Através da geração distribuída, será possível se obter muitos benefícios voltados para
a concessionária de energia, para a sociedade, ou seja, os consumidores e também para o meio
55
ambiente. Abaixo são descritos algumas das vantagens que poderiam ser obtidas com esse
tipo de produção de energia.
Como se observou no tópico anterior “PLC”, apesar de a grande maioria da
população brasileira ter acesso a energia elétrica, ainda existe uma pequena parcela
que não desfruta desse acesso, o qual é essencial na vida de todas as pessoas
atualmente, o que faz com que sejam prejudicadas. Com a geração distribuída é
possível reduzir ainda mais ou até extinguir o número de pessoas que não tem
acesso a energia elétrica no Brasil, pois facilitaria o acesso aos locais mais
distantes da zona urbana, já que estes locais não possuem infra-estrutura de
transmissão e distribuição, devido à instalação destas possuir um custo elevado.
Além disso, a qualidade da energia do consumidor próximo a GD seria melhor,
devido à redução das falhas, reduzindo a possibilidade da falta de energia, logo a
confiabilidade do sistema aumentaria.
A redução das perdas na rede de transmissão e distribuição, que ocorrem no
transporte da energia. Essas perdas, que representam “prejuízos” para as
concessionárias de energia acabam resultando no aumento dos custos da tarifa para
os consumidores. Com a redução dessas perdas, consequentemente também seria
reduzido o investimento para reforçar o sistema, além de poder reduzir os custos
com manutenções. “Segundo Distributed Power Coalition of America (DPCA) de
2005, o potencial de economia nos sistemas de transmissão e distribuição com a
implantação de GD é de 2,34 a 3,14 US$ economizado / MWh produzido devido à
redução das perdas no sistema.” [Geração distribuída no Brasil: oportunidades e
barreiras da Sociedade Brasileira de Planejamento Energético (SBPE)]
Também seria obtida uma redução dos investimentos para a criação de novas
centrais para suprir o aumento da demanda, já que a GD poderia satisfazer essa
necessidade conforme o crescimento da procura, o que também aumentaria a
estabilidade do sistema, além de que o tempo para sua construção seria bem
menor, podendo atender as novas necessidades de forma mais rápida, acarretando
na redução dos investimentos para atender a demanda nos horários de pico. No
gráfico da figura 25, pode se observar que através da utilização da GD, poderia se
obter uma redução no pico de demanda durante o ano. “Segundo DPCA (2005), o
potencial de economia nos sistemas de transmissão e distribuição com a
56
implantação de GD é de 1,60 a 60,27 US$ economizado / MWh produzido devido
à postergação de subestações.” [Geração distribuída no Brasil: oportunidades e
barreiras da Sociedade Brasileira de Planejamento Energético (SBPE)]
Fonte: Retirado da Revista Brasileira de Energia
FIGURA 25 – Gráfico das Curvas de Duração de Carga
Com a implantação da geração distribuída, também seriam obtidas consideráveis
vantagens com relação ao meio ambiente, pois evitando a construção de novas
centrais de geração de energia, reduziria bastante o impacto ambiental, tanto com
relação às áreas alagadas, quanto com relação à redução das emissões de
poluentes, contribuindo assim para a proteção da natureza e o desenvolvimento
sustentável.
Além de tudo isso, se teria uma melhora na eficiência energética, que se poderia se
tornar ainda melhor nos casos em que fossem utilizados co-geradores, que
produzem energia elétrica e também aproveitam o calor resultante do processo de
geração de energia através da queima de combustíveis, que no caso da geração
centralizada são liberados para a biosfera.
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Outra vantagem seria o fato de poder ter um papel importante no caso de
interrupções de energia ocasionadas devido a acidentes naturais, ou até mesmo
outros tipos de falhas, reduzindo o número de consumidores afetados e evitando
longos períodos sem fornecimento de energia, já que poderiam ser implementados
geradores de emergência na rede, conforme figura 26, onde os consumidores
localizados a jusante do ponto de conexão da GD continuariam a ser atendidos
normalmente.
Fonte: Retirado da Revista Brasileira de Energia
FIGURA 26 – Exemplo de como a GD pode minimizar problemas de interrupções no fornecimento
de energia
Mas a geração distribuída não apresenta apenas vantagens, esse processo também
possui algumas desvantagens, as quais devem ser levadas em consideração e por isso,
algumas são descritas abaixo.
Com a aplicação desse processo haveria um aumento na complexidade de várias
áreas: do planejamento e da operação do sistema elétrico; na realização de ações
de manutenção e das medidas de segurança; dos procedimentos administrativos,
comerciais e contratuais, entre outras. Em alguns casos, a proteção do sistema,
58
devido à configuração atual não ser adequada para um fluxo bidirecional, deveria
ser reconfigurada.
Ainda há um custo considerável relacionado às tecnologias utilizadas na GD, o que
de certa forma acaba reduzindo o interesse por parte dos investidores.
Através da co-geração próxima ao consumidor, poderia surgir uma poluição
sonora, gerando certo transtorno para os moradores da região. Em alguns casos
seria necessário a instalação de sistemas de atenuação de ruído.
No Brasil, ainda não se há um conhecimento profundo de tal tecnologia, portanto seria
necessário a realização de pesquisas, visando desenvolver formas de facilitar e tornar mais
barata a aplicação de sistemas de GD e também deve haver um maior do incentivo por parte
de órgãos reguladores. Provavelmente, devido às necessidades que vem surgindo, tanto com
relação ao meio ambiente, quanto às concessionárias e os consumidores, a GD terá uma
participação cada vez mais importante no sistema de energia elétrico. Com o Smart Grid, a
aplicação de sistemas de geração distribuída se tornaria mais fácil, já que a configuração das
redes inteligentes prevê a inserção de fontes em qualquer ponto da rede.
59
9 SMART GRID
Como já foi citado e demonstrado em tópicos anteriores, o sistema de energia atual,
principalmente ao se analisar a situação do Brasil ainda é muito vulnerável a falhas e os
principais recursos naturais utilizados para a geração da energia elétrica estão se tornando
cada vez mais escassos. Com isso e com os outros fatores demonstrados até aqui é evidente a
necessidade de se realizar uma mudança em todas as redes do setor de energia, a fim de se ter
uma evolução do sistema, com maior segurança, qualidade e economia, ou seja, é preciso
fazer com que todos os pontos da rede funcionem de forma interligada e inteligente, buscando
a interoperabilidade, a qual representa a capacidade de um sistema, juntamente de todos os
seus elementos e aplicativos realizarem trocas de informações de forma segura e eficaz,
fazendo com que o usuário tenha a menor preocupação possível, visando à confiabilidade, a
segurança e a qualidade da rede. Essa mudança de certa forma já começou a ser realizada em
alguns lugares e aos poucos vem se tornando algo próximo da realidade.
Em vários países, bilhões de dólares estão sendo investidos para que se consiga
desenvolver e construir os elementos da tão desejada rede inteligente. Várias empresas
conceituadas estão explorando esse mercado e muitos congressos e seminários estão sendo
organizados pelo mundo todo ao longo dos últimos anos a fim de se concretizar esse projeto.
Alguns acreditam que com Smart Grid, por se obter um fluxo de energia e comunicação
bidirecional, as funcionalidades estejam apenas relacionadas com o fato de se instalar
medidores inteligentes nos consumidores, porém elas vão muito além disso. Com a aplicação
das tecnologias digitais que avançam a cada dia, espera-se melhorar a confiabilidade,
segurança, interoperabilidade e a eficiência energética da rede elétrica de forma considerável,
reduzindo os impactos causados ao meio ambiente e em consequência, colaborar para o
crescimento e fortalecimento da economia do país.
O conceito de Smart Grid relaciona várias áreas, mas algumas devem ser priorizadas,
visando à efetividade do projeto. Pode-se considerar como algumas das áreas que devem ser
priorizadas:
A rede de comunicação, o desempenho de seus componentes e o estudo com relação
ao seu alcance geográfico, tanto para o momento quanto para o futuro, analisando sua
eficiência em tempo real, a fim de se otimizar a gestão dos elementos da rede de
60
energia elétrica, para que possam ser realizadas ações de prevenção ou resposta diante
dos problemas que podem surgir.
A infra-estrutura de medição avançada (AMI, sigla em inglês para Advanced
Metering Infrastructure), através da qual será criada uma rede bidirecional, que
realizará a resposta à demanda residencial, ou seja, através dessa infra-estrutura será
realizada a troca de informações entre os consumidores e as concessionárias de
energia e o gerenciamento dos dados. Também deve ser considerada que a rede deve
estar preparada para se integrar aos veículos elétricos.
Essas duas áreas provavelmente serão as chaves para o processo, através da qual todo
o sistema será interligado, mas também se deve priorizar:
O gerenciamento da rede de distribuição de energia, pois através desse
gerenciamento, será possível aperfeiçoar o desempenho dos componentes da rede,
como transformadores, chaves, entre outros, além de poder realizar uma integração
com os sistemas de transmissão e também com a geração, sendo que haverá a
possibilidade desta última ser realizada pelo próprio cliente. Isso aumentará a
confiabilidade da rede, reduzindo bastante a ocorrência de falhas.
A segurança da rede, já que dados muito importantes estarão sendo transmitidos por
ela, portanto é necessário garantir a integridade, confiabilidade e disponibilidade de
todas as informações do sistema, as quais serão necessárias para gerenciamento,
operação e proteção dos elementos do Smart Grid.
O transporte elétrico, pois através dele aumentaria a possibilidade da utilização de
fontes de energia alternativa, ocasionando a redução da emissão de gases responsáveis
pelo efeito estufa. Além do que, como observou se no tópico “Veículo Elétrico”, a
estimativa com relação ao crescimento da utilização do veículo elétrico no Brasil não é
pequena, portanto é preciso que o país já esteja preparado para integrá-los ao Smart
Grid, por isso deve se ter uma certa atenção voltada para o transporte elétrico.
A eficiência energética, pois a qualidade da energia também deve ser um fator
importante a se considerar. Essa qualidade poderia ser monitorada por sensores de
qualidade de energia espalhados pela rede.
61
O incentivo ao consumidor, tanto para os residenciais, como também para os
comercias e os industriais, com o objetivo de se reduzir o consumo de energia nos
horários de pico, além do que, é necessário apresentar aos consumidores, a viabilidade
em se utilizar os medidores inteligentes. Quando se analisa a situação do Brasil, esse
seria um ponto essencial e bastante complicado, considerado a enorme quantidade de
perdas decorrentes de furtos de energia.
O armazenamento de energia, visando aproveitar melhor toda energia que é gerada.
Muitos equipamentos, como, sensores inteligentes para serem aplicados nas linhas de
distribuição de energia, medidores inteligentes para serem utilizados nas residências dos
consumidores, softwares, entre outros, já estão sendo desenvolvidos e em alguns casos até
aplicados. Para o desenvolvimento de qualquer tecnologia é preciso se definir padrões, o
mesmo ocorre com o Smart Grid, para o qual também é necessário se estabelecer protocolos.
Isso é uma necessidade urgente e atual, para que os dispositivos já desenvolvidos, ou em
desenvolvimento não corram o risco de se tornarem obsoletos, o que acarretaria em uma
enorme perda diante dos grandes investimentos. De acordo com Energy Independence and
Security Act (EISA) DE 2007 essa função foi atribuída ao National Institute of Standards and
Technology (NIST), agente federal de tecnologia, sendo responsável por coordenar o
desenvolvimento de uma estrutura que inclui os protocolos e modelos padrões para o
gerenciamento das informações, assegurando a interoperabilidade dos elementos e do sistema
do Smart Grid.
Devido a essa urgência, o NIST desenvolveu um plano dividido em três fases com o
objetivo de acelerar a identificação de um conjunto inicial de padrões e estabelecer uma
estrutura robusta para um desenvolvimento sustentável de outros padrões adicionais que serão
necessários e também para que seja possível a definição de uma infra-estrutura de testes de
conformidade e certificação. Como resultado da primeira fase de seu plano, o instituto NIST
publicou o documento “Framework and Roadmap for Smart Grid Interoperability Standards,
Release 1.0”, no qual é apresentado um modelo de referência de alto nível conceitual para o
Smart Grid. Para essa publicação houve apoio de várias partes interessadas, a fim de se obter
o melhor resultado. Nesse documento também são identificadas 75 normas existentes, que
são, ou podem ser aplicáveis para o contínuo desenvolvimento das redes inteligentes, além de
especificar 15 falhas de alta prioridade e também as medidas para os padrões novos ou
revisados e os requisitos que serão necessários para se garantir a segurança do sistema. A
62
segunda fase do projeto do NIST, lançada oficialmente em novembro de 2009, tem como
objetivo estabelecer um Painel de Interoperabilidade para Smart Grid (SGIP), para apoiar a
contínua evolução da estrutura e impulsionar o progresso a longo prazo. Já a terceira fase visa
desenvolver e implementar uma estrutura robusta para a realização de testes de conformidade
e certificação dos sistemas e dispositivos relacionados ao Smart Grid, pois apesar dos padrões
serem essenciais, não são suficientes.
Segundo o NIST, os padrões de interoperabilidade de Smart Grid devem ser abertos, ou
seja, os padrões devem ser desenvolvidos e mantidos através de um processo colaborativo,
orientado por todas as partes afetadas e não por apenas uma única organização ou um grupo
de organizações. Esses padrões, sempre que possível, devem ser desenvolvidos e
implementados a nível internacional.
9.1 Arquitetura
Um modelo de arquitetura é essencial para qualquer sistema, ou seja, essa é uma parte
importante para o Smart Grid, que por ser uma tecnologia que relaciona vários sistemas,
necessita que as arquiteturas desses sistemas sejam desenvolvidas independentemente, mas
que no final funcionem de forma integrada. Essas arquiteturas devem estar preparadas para
suportar várias opções tecnológicas, considerando tanto as tecnologias já desenvolvidas ou em
desenvolvimento, como as novas, facilitando a realização de interfaces, quando necessárias,
com ou entre essas tecnologias, de modo a evitar ao máximo os investimentos adicionais e
customizações.
Na figura 27, é apresentado os níveis de camada de uma arquitetura desenvolvido pelo
GridWise Architecture Council (GWAC), conselho formado por uma equipe de líderes da
indústria com o objetivo de moldar os princípios para uma arquitetura altamente inteligente e
interativa do sistema elétrico, identificando áreas de padronização para se obter níveis
significativos de interoperabilidade entre os componentes do sistema. Segundo o NIST, a
arquitetura apresentada em seu documento não tem a intenção de restringir como o Smart
Grid será implantado, mas sim, tentar ajudar os interessados a entenderem as necessidades da
interoperabilidade para o Smart Grid. A arquitetura inclui modelos técnicos e de negócios,
demonstrações, implementações e normas, que juntos tentam formar e transmitir um
entendimento de Smart Grid.
63
Fonte: Adaptado do documento Framework and Roadmap for Smart Grid Interoperability
Standards, Release 1.0
FIGURA 27 – As oito camadas para determinar os requisitos de interoperabilidade de Smart
Grid e definir a troca de informações na rede
Em seguida será mostrado uma pequena descrição de cada camada.
1. Conectividade Básica: Mecanismo para estabelecer as conexões físicas e lógicas entre
os sistemas.
64
2. Interoperabilidade da Rede: Mecanismo para realizar a troca de informações entre os
múltiplos sistemas através de várias redes.
3. Interoperabilidade Sintática: Realizará a compreensão da estrutura dos dados nas
mensagens enviadas entre os sistemas.
4. Compreensão Semântica: A compreensão dos conceitos contidos na mensagem das
estruturas de dados.
5. Contexto do Negócio: Ter conhecimento dos negócios relacionados com uma
interação específica.
6. Processos de Negócio: Alinhamento entre os processos de negócio e os procedimentos
operacionais.
7. Objetivos de Negócio: Objetivos estratégico e tático compartilhados entre os negócios.
8. Política Econômica / Regulamentação: Objetivos políticos e econômicos incorporados
na política e regulamentação.
Essas oito camadas compreendem um alto nível de interoperabilidade, o qual é
necessário para permitir a flexibilidade entre as camadas e as várias interações no Smart Grid.
Como exemplo de flexibilidade se pode citar a Internet, que pode variar o seu tipo de
conectividade, como Ethernet, Wi-Fi, entre outras, e ainda assim ser capaz de trocar
informações entre as diferente redes. A arquitetura apresentada pode ser dividida em camadas
inferiores, que são as camadas físicas dos equipamentos e os softwares para codificação e
transmissão dos dados, e camadas superiores, onde se localizam as funcionalidades de
negócios, como os protocolos de comunicação e aplicações. Cada camada normalmente
depende da camada abaixo dela. Através dessas camadas, é formado o modelo de uma
arquitetura para Smart Grid.
9.2 Modelo de Referência
Nesse tópico será apresentado um modelo de referência baseado no modelo
disponibilizado no documento do NIST, Framework and Roadmap for Smart Grid
Interoperability Standards, Release 1.0. Esse modelo tem como objetivo dar suporte ao
65
planejamento e organização do desenvolvimento de um sistema, expandindo o conjunto de
redes interconectadas que irão compor o Smart Grid.
O modelo em análise pode ser dividido em domínios, onde cada domínio representa o
agrupamento de agentes e aplicações que possuem objetivos semelhantes e dependem ou
participam de tipos similares de atividades do Smart Grid. Pode se considerar como sendo
agentes, dispositivos, sistemas ou programas que irão executar as tomadas de decisões e as
trocas de informações necessárias para a realização de aplicações. Como exemplos desses
agentes, é possível citar os medidores inteligentes, os geradores solares, sensores inteligentes,
sistemas de controle, entre outros. Já as aplicações podem ser consideradas as tarefas que
serão executadas por um ou mais agente que se encontram dentro de um domínio, por
exemplo, as aplicações correspondentes aos exemplos dos agentes citados, como automação
residencial relacionada aos medidores inteligentes, geração de energia solar relacionada aos
geradores solares, etc. Na tabela 9, observa-se a divisão do Smart Grid em sete domínios, de
acordo com a abordagem adotada pelo NIST.
66
TABELA 9 – Domínios e Agentes no Modelo Conceitual do Smart Grid
Domínio Agentes no Domínio
Consumidores
O usuário final de eletricidade. Também pode gerar e armazenar
energia, além de poder gerenciar o uso da mesma.
Tradicionalmente, são divididos em três tipos de consumidores:
residencial, comercial e industrial.
Mercado Os operadores e participantes do mercado de eletricidade.
Prestadores de Serviço As empresas que prestam serviços para os consumidores e
utilities de energia elétrica.
Operação Os gestores da circulação de energia elétrica.
Geração de energia em
grandes quantidades
A geração de eletricidade em grandes quantidades. Também
pode armazenar energia para uma posterior distribuição.
Transmissão O transporte de eletricidade a longas distâncias. Também pode
armazenar e gerar energia elétrica.
Distribuição A distribuição de eletricidade para os consumidores e deles para
a rede. Também pode armazenar e gerar energia elétrica.
Fonte: Adaptado do documento Framework and Roadmap for Smart Grid Interoperability Standards,
Release 1.0
Os agentes de um mesmo domínio, geralmente possuem objetivos semelhantes. Eles
também podem interagir com agentes de outros domínios, como é mostrado na tabela 9, no
caso do Smart Grid. Em alguns casos, áreas particulares também podem conter componentes
de outros domínios. Como um caso desses pode se citar uma concessionária de distribuição de
energia elétrica, a qual possui componentes relacionados a outros domínios, como por
exemplo, o domínio da operação, já que utiliza sistema de gestão de distribuição e o domínio
dos consumidores, tratando-se da utilização de medidores.
Com base na tabela 9, onde são apresentados os domínios do Smart Grid e seus
respectivos agentes, é possível se estruturar o diagrama a seguir, através do qual, espera se
fornecer uma ferramenta útil para auxiliar os interessados em Smart Grid, além de buscar
incentivar os investimentos no setor de energia.
67
Fonte: Adaptado do documento Framework and Roadmap for Smart Grid Interoperability Standards,
Release 1.0
FIGURA 28 – Interação de agentes em diferentes domínios de Smart Grid através de Fluxos de
Comunicação Segura e Fluxos Elétricos
Apesar do modelo da figura 28 não determinar como o Smart Grid será implantado,
pois se trata apenas de um modelo descritivo, ele ajuda a identificar os possíveis caminhos de
comunicação do Smart Grid e dá uma visão melhor das interações que podem ocorrer entre
seus domínios. Na figura 29, que representa um diagrama muito mais detalhado, é possível
ver que um domínio pode ser dividido em várias funcionalidades, ou seja, pode se observar
que cada domínio possui muitos agentes.
68
Fonte: Retirado do documento Framework and Roadmap for Smart Grid Interoperability Standards,
Release 1.0
FIGURA 29 – Diagrama detalhado de um modelo de Smart Grid
Nesse diagrama, além dos domínios e dos agentes, também estão sendo representados:
Information Network (Informação da Rede): Uma rede de informação é uma coleção,
ou um conjunto, que engloba, computadores interligados, dispositivos de
comunicação, e outras informações e tecnologias de comunicação. Tecnologias em
uma rede trocam informações e compartilham recursos. O Smart Grid é composto de
muitos tipos diferentes redes, das quais nem todas estão no diagrama da figura 29. As
redes do diagrama incluem: O Enterprise Bus que conecta o centro de controle das
aplicações (Operação) ao mercado e à geração e também realiza a conexão entre esses
dois; Wide Area Networks (WAN) que conectam locais distantes; Field Area Network
(FAN) que conecta dispositivos, como os Dispositivos Eletrônicos Inteligentes (IEDs -
Intelligent Electronic Devices), os quais controlam disjuntores e transformadores; e
Premises Networks que incluem redes dos consumidores e também redes das utilities
que estão “dentro do domínio do consumidor”. Essas redes podem ser implementadas
69
utilizando uma combinação entre redes públicas (como por exemplo, a Internet) e
redes não públicas. Independente de qual tipo de rede se utilizar, será necessário a
implantação e manutenção de uma segurança adequada e dos controles de acesso para
suportar o Smart Grid. É importante ressaltar que através de redes públicas é possível
realizar comunicações entre vários agentes de domínios diferentes.
Gateway Actor: que pode ser considerado um agente de um determinado domínio que
interage com agentes de outros domínios ou de outras redes. Eles podem utilizar
muitos tipos de protocolos de comunicação, portanto é possível, que um gateway actor
utilize um protocolo de comunicação diferente do que um agente do mesmo domínio,
além de se poder utilizar vários protocolos simultaneamente.
Common Path (Caminho comum da comunicação): Mostra a troca lógica de dados
entre agentes, ou entre agentes e redes.
Com relação às redes de informação, a figura 30, exibida abaixo, dá uma visão de
como será o funcionamento das redes com relação às comunicações bidirecionais entre os
pontos finais da rede, considerando os sete domínios apresentados anteriormente. Cada
domínio é um ambiente de computação distribuída único e pode ter sua própria sub-rede para
atender aos requisitos especiais de comunicação para o domínio. Dentro de cada rede, existe
uma estrutura hierárquica composta de tecnologias de rede. Tecnologias como Home Area
Networks, Personal Area Networks (PAN), Wireless Access Networks, Local Area Networks
(LAN), and Wide Area Networks, poderão ser implementadas. De acordo com os requisitos
funcionais do Smart Grid, a rede deverá fornecer a capacidade para permitir que uma
aplicação de um determinado domínio consiga se comunicar com outra aplicação de qualquer
outro domínio que esteja sobre a rede de informação, além de ter extrema necessidade de
garantir a segurança dos dados, a qual deve incluir: procedimentos, protocolos e políticas de
segurança para proteger as informações do Smart Grid; procedimentos, protocolos e políticas
de autenticação; procedimentos, protocolos e políticas de segurança e controle para proteger
componentes da infra-estrutura e as redes interconectadas; pois somente com as informações
devidamente protegidas pode se obter uma integridade e uma confiabilidade de todo o
sistema, permitindo acesso devidamente restrito as partes envolvidas, evitando qualquer risco
para essas informações, já que a intercepção desses dados acarretaria em conseqüências
graves, além do que poderia afetar outros sistemas que estivessem interligados.
70
Fonte: Adaptado do documento Framework and Roadmap for Smart Grid Interoperability Standards,
Release 1.0
FIGURA 30 – Redes para troca de informação
Como é possível observar, os dispositivos e as aplicações em cada domínio são pontos
finais da rede. No caso do domínio do Consumidor, é exibido no diagrama o relacionamento
com as Instalações do Cliente, que envolvem, por exemplo, os medidores inteligentes, os
veículos elétricos, entre outros. No domínio da Distribuição, é mostrado o relacionamento
com a Subestação da Distribuição, no domínio da Transmissão, o relacionamento com as
Linhas de Transmissão e no domínio da Geração, com a Usina de Geração. No caso dos
domínios Operações, Mercado e Prestador de Serviços, as aplicações são semelhantes aos de
Internet e aos processamentos de informações de negócios, o que faz com que a função de
cada um não seja distinguida de redes de processamento de informações normais, motivo pelo
qual, não possuem nuvens ilustradas no diagrama.
Essa rede de informação pode ser composta por várias redes interligadas, que no caso,
estão sendo representadas por duas redes de backbone (esquema de ligações centrais de um
sistema mais amplo, tipicamente de elevado desempenho), A e B. Cada um representa a rede
na região de serviços de uma concessionária de energia ou serviço. Pode se considerar que A
representa as redes da CPFL e B representa as redes da Eletropaulo. As ligações físicas ou
lógicas dentro e entre essas redes, e as ligações para pontos do final da rede podem utilizar
71
qualquer tecnologia de comunicação adequada disponível atualmente ou a serem
desenvolvidas e padronizadas no futuro.
Ainda com relação ao modelo de referência do Smart Grid, convém observar que
atualmente há uma grande expectiva de que as redes baseadas em Internet Protocol (IP)
poderão servir como elemento chave para o Smart Grid, porque mesmo não sendo capazes de
atender à todos os requisitos de comunicações da tecnologia do Smart Grid, elas possuem
vários aspectos que faz com que sejam vistas com grande importantância para essa tecnologia.
Através da utilização de redes baseadas em IP, se obtém vários benefícios, como, o fato dela
já possuir um grande número de normas definidas, a disponibilidade de ferramentas e
aplicações que podem ser aplicadas em ambientes Smart Grid, além de permitir que as
aplicações sejam desenvolvidas de maneira independente da infra-estrutura de comunicação e
das diversas tecnologias de comunicação que serão utilizadas, seja ela com fio ou sem fio.
As redes baseadas em IP permitem a divisão de largura de banda entre as aplicações e
maior confiabilidade com capacidades de roteamento dinâmico. Elas podem ser facilmente
escalável, ou seja, estarão preparadas para que sejam acrescentados outros dispositivos de
Smart Grid a rede, como medidores inteligentes, eletrodomésticos inteligentes, entre outros.
Para aplicações de Smart Grid que possuem exigências específicas de qualidade de serviço,
como atraso mínimo de acesso, outras tecnologias podem ser usadas.
É importante atentar para o fato de que a quantidade de dispositivos conectados a rede
do Smart Grid aumentará consideravelmente, assim como o número de endereços IP
necessários para identificar os dispositivos. Devido a isso, segundo o NIST é preciso observar
que os endereços no padrão IPv4 estarão esgostados em breve, portanto seria mais viável a
utilização do padrão IPv6 para os novos sistemas que serão desenvolvidos e implantados, os
quais foram especificamente desenvolvidos para suprir as necessidades de endereços e
fornecer melhorias para a rede IP.
Para cada conjunto de requerimentos do Smart Grid, uma análise é necessária para
determinar se a utilização do IP é apropriado, considerando se a segurança e as características
de desempenho desejado podem ser asseguradas. Para que haja um correto funcionamento das
redes de IP no ambiente de Smart Grid, um conjunto de protocolos devem ser identificados e
desenvolvidos, para que se possa dar início as aplicações de Smart Grid. Segundo o NIST, o
desenvolvimento desses conjunto de protocolos deve ser baseado nos padrões definidos pelo
72
Internet Engineering Task Force (IEFT), comumente referido como Request for Comments
(RFCs).
9.3 Smart Grid e GIS
Para que a implantação do Smart Grid seja bem sucedida e se torne viável, será
necessário que esse sistema tenha a capacidade de se integrar com as diversas ferramentas já
existentes dentro de uma concessionária de energia. Cada concessionária possui ferramentas
de gerenciamento, operação, manutenção, projetos, cálculos de engenharia, entre outros
processos, os quais, mesmo em alguns casos sendo similares aos de outras concessionárias,
possui características específicas, o que faz com que o desenvolvimento do Smart Grid deva
ser algo genérico, possibilitando a integração com as diferentes tecnologias, buscando se obter
a interoperabilidade do sistema.
Uma tecnologia muito importante utilizada em grande parte das concessionárias do
mundo, não somente de energia, mas também de gás ou de água, para o gerenciamento de
seus ativos é o Geographic Information System (GIS), o qual representa um sistema com
todos os ativos da concessionária georreferenciados. Para alguns casos essa tecnologia pode
ter integração com outros módulos, voltadas para outros processos, como, operação, projetos
e cálculos, etc. Abaixo pode se observar uma imagem que representa um exemplo de um GIS.
73
FIGURA 31 – Exemplo de um Sistema de Informação Georreferenciado
A integração do Smart Grid com o GIS é de grande importância, pois transformaria
essa tecnologia em um sistema supervisório que funcionaria de maneira on-line. Sem a
utilização de um GIS, é praticamente impossível se atingir os objetivos do Smart Grid, pois
seria através dessa ferramenta, que os dados recebidos seriam analisados, estudados e
utilizados para ações de melhorias, planejamentos, operações, entre outros procedimentos.
Atualmente já existem módulos que se integram com o GIS, específicos para a
operação do sistema elétrico, como por exemplo, o DMS (Distribution Management System),
o qual utiliza o sistema SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) para realizar
essa supervisão, porém ainda são poucos os dispositivos que podem ser controlados da central
de operação, ou seja, que podem ser ligados ou desligados via comando do operador e
praticamente nenhum deles, considerando a parte da distribuição possui alguma inteligência.
Em algumas subestações já existem alguns equipamentos que utilizam os IEDs.
Da mesma forma que o Smart Grid deverá se adequar as tecnologias utilizadas
atualmente, essas tecnologias necessitarão de customizações para se adequar ao sistema
inteligente, pois ainda não estão preparadas para isso e cada empresa precisará realizar as
modificações necessárias para que se adequem aos seus processos.
74
Com o Smart Grid os dados da rede seriam coletados e enviados para um servidor
através de sensores inteligentes instalados nos equipamentos que fazem parte da rede elétrica,
como por exemplo, transformadores, chaves, disjuntores, entre outros e também haveria
trocas de informações entre esses sensores. No servidor os dados seriam analisados para
tomadas de decisões, as quais, em certas ocasiões poderiam ser determinadas e executadas
pelo próprio sistema, através de sua inteligência. Por exemplo, no caso de uma queda de
energia em um determinado circuito, decorrente de um curto-circuito, muitos consumidores
seriam afetados e ficariam sem energia. Considerando o funcionamento do sistema como é
atualmente, poderia ocorrer desses consumidores ficarem um período consideravelmente
longo sem energia, porém com a implantação das redes inteligentes, através de uma
comunicação entre os equipamentos, poderia ser realizado um tipo de manobra
automaticamente para começar a fornecer energia ao maior número clientes possível por outro
caminho da rede, minimizando ao máximo o impacto causado pela queda de energia, pois não
seria necessária se esperar a realização das manobras manuais para se restabelecer a energia
de todos prejudicados, além do que o tempo gasto para a realização dessas manobras manuais
seria reduzido, devido ao fato de que a equipe de manutenção seria despachada, logo após o
incidente, pois as informações chegariam mais rapidamente, além do que transitariam em
ambos os sentidos da rede, sendo bidirecionais. Também deve ser levado em consideração
que através da monitoração realizada com os dados enviados pelos sensores inteligentes,
muitos incidentes poderiam ser evitados, já que por essa monitoração será possível verificar a
carga sobre cada dispositivo, possibilitando evitar alguns acontecimentos não desejados,
antecipando a realização de ações e facilitando a tomada de decisões, além do que os
planejamentos poderiam ser executados de forma melhor, o que em certos casos possibilitaria
a postergação de determinadas manutenções.
Mas para a realização dessa integração, é preciso se ter conhecimentos das várias
regras de negócios utilizadas no GIS de uma concessionária de energia, os quais são de
grande relevância para um bom funcionamento do sistema.
75
10 CONSIDERAÇÕES FINAIS
Foi possível verificar no decorrer desse trabalho a evidente necessidade de uma
mudança no sistema de energia elétrico atual. Como foi demonstrado, a demanda por energia
está aumentando a cada dia, surgindo a necessidade de atualização ou de troca dos ativos
atuais utilizados nas redes elétricas, o que não resolve o problema, pois mesmo com a
realização dessa manutenção, a configuração atual ainda continua sujeita a muitas falhas,
devido ao fato de ser uma rede unidirecional. Outro agravante que foi demonstrado é com
relação ao meio ambiente, tema que preocupa o mundo todo atualmente, em consequência do
problema do aquecimento global, problema no qual, a geração de energia elétrica tem grande
participação em alguns países.
Observou se que caso essa grande modificação do sistema de energia atual seja
realizado através da implantação do Smart Grid, outras oportunidades surgiriam, como o
aumento dos investimentos em outras áreas, como por exemplo, as fontes de energia
alternativa ou o veículo elétrico, pois através da integração com as redes inteligentes, essas
tecnologias funcionariam em sincronismo umas com as outras e poderiam superar algumas
deficiências existentes atualmente.
Porém essa mudança não é simples, muito pelo contrário, ela é de extrema
complexidade e devido a isso necessita de longos estudos para definição de normas e padrões,
os quais já estão sendo definidos através de vários estudos e realização de testes, pois sem
esses requisitos não é possível se obter a interoperabilidade do sistema, já que eles são
necessários para a realização da integração com a enorme diversidade de tecnologias e
processos que estarão envolvidos com o Smart Grid.
Muitos acabam se confundindo, considerando que as redes inteligentes estão
relacionadas apenas a instalação de medidores inteligentes nos consumidores, para que se
obtenha uma medição inteligente, porém isso pode ser considerado um equívoco. Com
certeza, a medição inteligente é uma das partes principais e mais importantes para a
implantação do Smart Grid, porém esse sistema, quando pronto, envolverá muitos outros
processos, pois através dele será realizada uma automação de toda a rede de energia elétrica,
interligando de uma forma inteligente tudo que estiver conectado a essa rede, através de
equipamentos de telecomunicação e de sensoriamento, os quais devem ser de alta qualidade e
precisão para garantir a interoperabilidade, a eficiência e a segurança desse novo sistema.
76
Vários investimentos estão sendo realizados em todas as partes do mundo para que as
redes inteligentes se tornem uma realidade, o que provavelmente acontecerá em um futuro
não muito distante, porém é necessário se ter certo cuidado para que esse sistema seja
implantado da melhor maneira possível para que se consiga atingir a todas as expectativas e
suprir todas as necessidades de um sistema inteligente. É preciso buscar soluções eficientes, e
de total segurança, tanto nas partes relacionadas aos hardwares, como nas partes relacionadas
aos softwares, visando os benefícios para a sociedade em geral e a melhora dos processos das
concessionárias de energia. Para se reduzir custos, é recomendável que os desenvolvimentos
sejam realizados buscando a integração com as tecnologias já existentes, porém sem deixar de
adotar os padrões e as normas já definidas e as que ainda serão adicionadas.
Através da implantação do Smart Grid, será possível se obter um mundo mais
sustentável, utilizando cada vez melhor os recursos para a geração, transmissão e distribuição
de energia.
77
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79
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